基于无线传感网络的智慧灌溉系统设计与优化

智能化灌溉系统的设计与实现

O 引言

我国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。我们的智能灌溉系统在这种背景下应运而生了。智能灌溉系统不仅可以提高源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。基于传感器技术的智能灌溉系统是我国发展高效农业和精细农业的必由之路。

智能灌溉系统涉及到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术，这些新技术的应用使我国的农业由传统的劳动密集型向技术密集型转变奠定了重要的基础。

我国北方各省水资源缺乏，然而多年来使用传统方式为植株浇水不仅效率低、成本高而且浪费十分来重。对于大面积种植的棉田实现精准灌溉，不仅可以提高源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低生产的成本。

由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实际动态管理。采用传感器来监测土壤的墒情，实现灌溉管理的自动化。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率。要真正实现水资源的高效，仅凭单项节水灌溉技术是不可能解决的。必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情以及农作物需水规律等方面做统一考虑。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。如何利用有限的水资源，走“节水农业”已经成为农业生产获得最佳的效益和持续稳定发展的增长点。因此使用自来水发电的智能灌溉系统，控制喷灌和微灌系统，能有效地减少田间灌水过程中的渗漏和蒸发损失。现有的灌溉系统都要外接电源，存在一定的安全隐患且较麻烦。本系统可在无供电条件的地区使用，其最大优点为节水、节能、节约劳动力。

1 设计目标与实现方案描述

针对现有的智能化灌溉系统都需要外加电源供电，存在一定安全隐患，而且现有的自动灌溉装置的程序一般固化在系统的程序存储器内，只能简单地设置灌溉时间及循环时间，不能灵活根据季节不同自动调节等缺点，该系统将小型直流发电机接上风叶至于密封特制的盒子中，用水流带动风叶旋转来发电，再将电能储存到蓄电池中以给监控电路和电磁阀供电。该装置是以湿敏电阻和光敏电阻检测信号，自来水发电用作供电的一种无需外接电源的自动灌溉装置。该装置监控电路由信号采集部分，灌溉控制部分，电源部分，执行部分4部分组成。如图1所示。

无线传感网络在智慧农业中的应用与优化研究

智慧农业作为农业领域的新兴技术，借助信息技术和互联网的发展，正在改变着传统农业的生产模式和管理方式。而无线传感网络作为智慧农业中的重要技术手段，具有广泛的应用前景，可以为农业生产提供精确的数据收集、监测和控制，实现农业生产的自动化和智能化。本文旨在探讨无线传感网络在智慧农业中的应用与优化研究。

一、无线传感网络在智慧农业中的应用

1. 数据采集与监测

无线传感网络可以通过传感器节点，实时地采集农业生产中的各种数据，如土壤湿度、温度、光照强度等环境参数，以及作物生长过程中的生长速度、叶绿素含量等重要指标。这些数据可以通过无线传感网络传输到农业物联网平台，实现对农业生产的全面监测和管理。

2. 灌溉与施肥控制

基于无线传感网络的智能灌溉系统可以根据土壤水分传感器监测的实时数据，精确调整灌溉时间和水量，有效避免水资源浪费和土壤水分不足的问题。同时，通过无线传感网络实时监测土壤肥力和植物养分需求，可以精确控制施肥行为，提高农作物养分利用率，减少环境污染。 3. 病虫害预测与控制

无线传感网络可以利用传感器节点实时监测农田中的病虫害情况，通过数据分析和算法模型建立，实现对病虫害的预测和预警。农民可以通过手机等终端设备及时了解农田中的病虫害情况，并采取相应的控制措施，减少农作物因病虫害造成的损失。

4. 牲畜养殖管理

无线传感网络在畜牧业中也有着广泛的应用。通过传感器节点监测牲畜的行为、体温、饮食等指标，可以实时掌握牲畜的健康状况，并根据数据分析和算法模型提供科学的养殖管理建议。此外，无线传感网络还可以实现牲畜定位和追踪，提高牲畜管理的精确性和效率。

二、无线传感网络在智慧农业中的优化研究

1. 能源管理优化

传感器节点是无线传感网络的核心组成部分，而节点的能源管理是影响无线传感网络整体性能的重要因素。研究者可以通过设计低功耗的节点硬件，开发高效能耗控制的节点软件和协议，以及优化能源回收和充电策略等方式，实现对能源的有效管理和优化，延长节点的使用寿命。

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基于CC2530无线传感网络系统的设计

作者：刘毅力 焦尚彬

来源：《现代电子技术》2013年第03期

摘 要： 提出一种基于ZigBee协议的用于测量温度的无线传感器网络方案，方案中使用CC2530无线芯片和温度传感器DS18B20搭建了一个基于ZigBee协议栈的无线传感器网络。该网络由一个协调器充当中心节点和若干个终端节点一起，构成一个星型网络，给出了传感器节点、协调器节点的硬件设计原理图及软件流程图。实验证明节点性能良好、通信可靠，通信距离明显增大。

关键字：无线传感网络； ZigBee； CC2530； DS18B20

中图分类号： TN711⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）03⁃0043⁃04

智能灌溉系统的无线传感器网络设计邓昀，等　智能灌溉系统的无线传感器网络设计　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｏｒ　Ｓｍａｒｔ　Ｉ　ｒｒｉｇａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　邓　昀　程　耨　（桂林理工大学信息科学与工程学院，广西桂林５４１００４）　摘要：针对农业灌溉中的水资源浪费问题，设计了用于农业智能灌溉的无线传感器网络系统。该系统采用ＰＥＧＡＳＩＳ协议中的分群　路由思想将整个网络细化为多个子网路。各网络由子节点、汇聚节点和主节点构成，节点间通信采用时分多址（ＴＤＭＡ）通信协议，使　用功耗等级划分方式进行联网和组网。节点设计引人了单片机ＡＴ８９Ｓ５２、ＲＦ芯片ＣＣ１１０１等硬件平台。系统实现了数据采集、传感器　组网、数据无线传输、网络数据管理和监控等功能，实测结果验证了该设计的可行性和有效性，它能为智能精准灌溉提供平台。　关键词：智能灌溉系统无线传感器网络时分多址（ＴＤＭＡ）通信协议数据采集　中图分类号：ＴＮ９１５＋．３：ＴＮ９１５＋．９　文献标志码：Ａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｗａｓｔｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｓｍａｒｔ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｅｎｔｉｒｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｒｅｆｉｎｅｄ　ｉｎｔｏ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｓｕｂ—ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｄｅａ　ｏｆ　ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｉｎ　ＰＥＧＡＳＩＳ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｅａｃｈ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｃｈｉｌｄ　ｎｏｄｅｓ，ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｎｏｄｅｓ　ａｎｄ　ｍａｓｔｅｒ　ｎｏｄｅ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｍｏｎｇ　ｎｏｄｅｓ　ｕｓｅ　ＴＤＭＡ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ａｒｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｌｅｖｅ１．Ｔｈｅ　ｎｏｄｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍａｃｈｉｎｅ　ＡＴ８９Ｓ５２，ａｎｄ　ＲＦ　ｃｈｉｐ　ＣＣ１　１０１　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍｓ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄａｔａ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｌ￣ｒａｃｔｉｃａｌ　ｔｅｓｔ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｍａｒｔ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｔｉｍｅ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ（ＴＤＭＡ）　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　Ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　０引言　２１世纪，水已成为一种稀缺资源，水资源问题已　不仅仅是简单的资源问题，更是关系到国家经济、社会　可持续发展和长治久安的重大战略问题。目前，国内　用于农业灌溉的水资源浪费非常严重。因此，在农业　灌溉中引入无线传感器网络（ＷＳＮ）技术，实时监测农　作物生长的土壤墒情和外部环境。通过监测数据指导　农业生产，结合智能灌溉技术实现定时、定量的精准灌　溉。可以大幅度节省农业生产中生产资料的消耗，提高　水资源利用率，缓解水资源紧张问题。　本文介绍了智能灌溉系统的无线传感器网络设计　方案。该方案利用节点网络的各种传感器实时监测农　作物生长的土壤墒情和外部环境；通过无线通信网络　将监测到的有效信息传送到系统管理中心；系统管理　中心根据监测数据．采用相应的灌溉措施实现大面积　国家自然科学基金资助项目（编号：６１０６３００１／Ｆ０２０２０７）；　广西自然科学基金资助项目（编号：桂科自０８３２２６４）。　修改稿收到日期：２０１２—０３—３１。　第一作者邓昀（１９８０一），男，２００９年毕业于桂林理工大学计算机应用　专业，获硕士学位，讲师；主要从事嵌入式技术、物联网技术的研究。　精准灌溉。该设计方案实现了数据采集、传感器组网、　数据无线传输、网络数据管理和监控等功能。　１　系统架构及硬件设计　系统的架构如图１所示。　系统　管理　中心　主　节　点　灌溉单元ｌＩ　灌溉单元　到呸　：　灌溉单元　Ｉｌ　灌溉单元　；　ＩＩ厂五　子　节　点　图１　系统架构图　Ｆｉｇ．１　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　系统按功能分为系统管理中心和无线传感器网络　覆盖区两大部分。系统管理中心负责对接收的数据进　行灌溉单元划分、分类、聚合和存储，确保各个灌溉区　的汇聚节点和数据采集子节点所在地的数据可以随时　查阅，确定有效的灌溉方式。　８０　ＰＲＯＣＥＳＳ　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　Ｖｏｋ　３４　Ｎｏ．２　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２０１３