基于ZigBee技术的水稻自动灌溉控制系统设计_李野

基于ZigBee技术的水稻自动灌溉控制系统设计李野，董守田，黄丹丹（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨150030）摘要：为了加快农业生产的数字化和信息化的发展，提高农田灌溉中的生产效率，采用单片机技术、ZigBee以及组态等技术设计开发了一种远程灌溉监控控制系统。

该系统由监控计算机、主控制器、分控制器等组成。

分控制器由传感器、电源模块、太阳能电池板、电磁阀组成，通过传感器把现场的池块温度、土壤含水率、池块水位采集回来，将数据打包后通过GPＲS发送到监控终端的上位机；上位机软件接收并处理数据，根据相应的预设参数和采集回来的参数，发送相应的命令给现场。

该系统能够控制电磁阀的动作，连续运行未发生故障，可实现无人值守的远程灌溉监控。

关键词：水稻灌溉；ZigBee；自动控制中图分类号：S275；TP273文献标识码：A文章编号：1003－188X（2015）02－0226－040引言现在的农业灌溉都是采用喷灌、滴灌、微灌等技术方法，需要手动对监控现场的情况进行控制，而且需要另外的网络构建与布线，成本较高。

随着经济社会的发展，需要一种自动、科学的灌溉系统来控制灌溉。

为此，设计一种基于ZigBee和STC12C5A60S2［1］的自动灌溉系统，在监控中心通过上位机可以看到现场的数据，同时会根据水稻各个生长期的需水情况，自动发送命令控制电磁阀的动作。

综合来看，该系统成本低，与传统的控制系统相比更加智能［2］。

1系统的结构及工作原理系统由上位机和下位机组成，总体结构图如图1所示。

其中，上位机安装了组态软件服务器，负责接收发回来的数据和发送相应的命令［3］；下位机由网关和节点组成。

其中，节点是由电源模块、ZigBee模块、传感器、太阳能板、电磁阀等部分组成。

在稻田池块处放置节点，根据水稻生长时期和土壤状况确定传感器埋设深度，实时监测池块变化。

设计时，在池块中布置8个节点，网关与节点中采用ZigBee树状网络通讯，网关与上位机采用GPＲS通讯，系统网关和节点都通过太阳能板供电。

收稿日期：2014－02－19基金项目：哈尔滨市科技局攻关项目（2013AA6BN010）作者简介：李野（1991－），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，（E－mail）liyeneau@126．com。

通讯作者：董守田（1968－），男，哈尔滨人，副教授，硕士生导师，（E－mail）stdongneau@163．com。

节点实时采集传感器的数值，经ZigBee传输到网关，数据实时显示在组态屏上，网关将数据融合后由GPＲS传送到上位机。

上位机软件接收并处理数据，根据相应的预设参数和采集回来的参数，会自动控制电磁阀启停功能。

同时，网关还可以监测电池电量的参数，并传送至上位机。

图1总体结构示意图Fig．1Schematic drawing of the general structure2系统设计2．1网关控制芯片的设计STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8 12倍；内部集成了MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/DOI:10.13427/ki.njyi.2015.02.054D转换（250K/s），针对电机控制，适用于强干扰场合［4］。

2．2节点驱动电路的设计采用驱动继电器控制电磁阀的方式。

为了提高系统的可靠性，采用5V继电器。

继电器使用ULN2803驱动，ULN2803使用5V供电，STV12C5A60S2的输出信号经74HC14传输到ULN2803［5］。

继电器连接图如图2所示。

图2继电器连接图Fig．2Interface diagram of relay2．3传感器的选择传感器测量部分包括土壤水分、池块温度和池块水位。

各部分的选型如下：1）测量池块温度。

选用DSl8B20温度传感器，与传统的热敏电阻不同，其可直接将被测温度转换为串行数字信号，供单片机处理。

测量温度范围为－55 +125ʎC，在－10 +85ʎC范围内精度为ʃ0．5ʎC，适合于恶劣环境的现场温度测量。

2）测量池块水位。

选用GB2100A液位传感器，供电范围5 12V，具有信号隔离放大、截频干扰设计及抗干扰能力强等特点。

根据寒地水稻控制灌溉技术规范，水稻生育转换期要提前晒田，并在生育期转换问题上提出“时到不等苗苗到不等时”的调控方法。

“时到不等苗”，即不管水稻处于哪个生育期（分蘖末期除外），土壤水分到了土壤控制下限则灌水至上限，土壤水分未达到控制下限，不需要灌水；“苗到不等时”即水稻生长发育到分蘖末期，不管土壤水分是否控制到下限，都要及时排水晒田［6］。

过了分蘖末期，到了拔节孕穗期，（需水敏感期）则必须灌水至土壤水分上限。

因此，采用HS－102STＲ土壤水分传感器，它是一款基于频域反射原理，利用高频电子技术制造的高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器，通过测量土壤的介电常数，能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量［7］。

2．4ZigBee网络的设计ZigBee网络采用TI公司最新一代ZigBee SOC芯片，芯片供电电压为3．3V，内部已集成了一个8051微处理器与高性能的ＲF收发器［8］。

该芯片在无外加功放情况下通信距离可以达到1600m。

采用TI公司的ZigBee2007/PＲO协议栈作为开发背景，在IAＲEmbedded Workbench环境下开发。

启动网关后允许采集节点与其连接，接收节点的数据信息；然后，数据通过ZigBee传送至网关，网关将其打包成规定的数据帧格式，经由GPＲS传送至上位机。

2．5通讯协议在网关与上位机之间通过GPＲS通讯，设计的数据格式参考了常见的Modbus－ＲTU协议的格式，由设备地址、功能码、数据、结束符组成。

采用求和校验方式，即将功能码和数据位的5个字节数据（BIT2－BIT6）相加求和，取低16位写入校验位。

数据帧格式如表1所示。

表1数据帧格式Table1Data frame format设备地址功能码数据校验结束符4A0173110000005C0D0A4A0153110000005C0D0A4A014B110000005C0D0A设备地址为设定的网关地址，在本设计中定义为4A01，功能码用于区分实现不同的功能，包括继电器控制、读取采集节点数值、读取电池电量等。

其中，功能码4B1x用于实现继电器控制，数据位000000表示继电器闭合，FF FF FF表示继电器断开；读取电池电量检测功能码531x，即数据位000000表示电量低，FF FF FF表示电量高；采集传感器数据功能码73 xx，即功能码7311代表1号节点的1号温度传感器。

例如，上位机发送：4A014B110000005C0D0A，即表示发送继电器1闭合命令。

2．6节点供电电路的设计对于分散在池块的采集节点，由于距离控制室较远，因此供电采用太阳能电池板与铅蓄电池相结合的方式。

在阳光良好、太阳能电池板输出充足的时候，采用太阳能电池板供电，同时对铅蓄电池进行浮充；当太阳能电池板输出不足或者出现故障时，切换到铅蓄电池端，利用电池进行供电。

在系统的设计上，采用一只1N5819二极管作为太阳能电池板与铅蓄电池的切换开关：当太阳能电池板输出充足时，则太阳能电池板具有优先权；当太阳能电池板输出不足不能为系统正常供电时，则二极管导通，采用铅蓄电池供电，以保证系统能够连续工作。

其供电电路连接图如图3所示。

图3供电电路连接图Fig．3The power supply circuit connection diagram2．7系统软件设计系统软件主要是靠对单片机编程实现。

其中，对上位机无线通信时，响应帧在上位机链接单元中自动生成，在单片机中无需用户再编写通信程序。

因此，单片机编程主要解决的是现场电磁阀的开启和关闭控制、模拟量的数据的采集和处理，同时也可接收上位机发送的控制指令完成相应的控制操作。

系统软件的实现可以让操作员位于监控中心的计算机终端，进行远程手动、半自动和全自动控制，各项操作无需人进行，节省了人力资源，操作的准确性、连贯性比以往得到显著提高，从而大幅度提高了生产效率。

2．8上位机组态程序设计MCGS 是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows 平台的、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。

该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。

上位机程序控制流程图如图4所示。

MCGS 软件具有网络监控、数据采集和处理、趋势曲线、报表输出、动画显示等功能，同时支持多种GPＲS 模块，能够在灌溉远程控制中发挥其优越性。

3安装调试本研究选用方正研究院的试验地块，地势较平坦，选取8个下位机基站对水稻内环境进行监测，检验系统的各项性能指标。

节点无线通讯模块的天线高度为1．5m ，与上位机间距分别为45 55m ，每个工作节点下设1个温度传感器、1个液位传感器和1个土壤水分传感器，分别监测池块的温度、水位和土壤水分。

方正水稻各生育期灌溉水层及土壤水分控制下限指标如表2所示。

图4软件流程图Fig．4The flow chart of program control表2下限指标Table 2The lower limit index时期水位/mm 水分/%时期水位/mm 水分/%泡田期正常正常返青期3090分蘖前期3095分蘖中期3095分蘖后期3080拔节孕穗期3095抽穗开花期3095乳熟期3080黄熟期30704结果与分析对系统进行连续7天试验，运行状况良好，当时为水稻分蘖前期，测试的部分结果如表3所示。

表3水稻分蘖前期测试结果Table3Ｒice tiller test results时间温度/ħ水位/mm水分上限水位/mm水泵监测第1天15．625100%30开启正常第2天14．832100%30闭合正常第3天15．937100%30闭合正常第4天13．925100%30闭合正常第5天13．736100%30闭合正常第6天13．223100%30开启正常第7天14．633100%30闭合正常5结论自动灌溉系统通过无线数据传输对农田灌溉中的主要参数进行实时采集，与事先设定的水位上下限进行比较，实现自动灌溉。

本文结合单片机、ZigBee 等技术设计的远程灌溉监控系统可实时精确地自动灌溉和监控，在保证作物用水的同时有效防止了水资源的浪费，减少了人力资源使用，能够满足灌溉自动化的需求，对于精准农业的发展有重要的意义。

参考文献：［1］张长利，沈维政．物联网在农业中的应用［J］．东北农业大学学报，2011（5）：1－5．［2］赵春江．精准农业研究与实践［M］．北京：北京科学出版社，2009：145－147．［3］乔长兵，胡平．基于GPＲS的挖掘机远程监控系统［J］．微处理机，2008（5）：180－182．［4］彭同明，徐学勤，杨少华，等．单片机原理及应用［M］．北京：中国电力出版社，2007：12－13．［5］卢超．禽舍内环境湿度无线监测装置的设计［J］．农机化研究，2011，33（12）：135－138．［6］王振刚，何权．水稻控制灌溉技术综述［J］．黑龙江水利科技，2008（1）：13－14．［7］汪羽宁，樊军，李世清，等．小麦实时控制灌溉的土壤水分含量探头合理埋设深度研究［J］．灌溉排水学报，2009（5）：10－12，33．［8］汤镇辉，张正明．基于CC2530的ZigBee无线路灯节能智能监控系统［J］．微型机与应用，2011（19）：81－83．Ｒice Automatic Irrigation Control System Based onZigBee Technology DesignLi Ye，Dong Shoutian，Huang Dandan（College of Electrical and Information，Northeast Agricultural University，Harbin150030，China）Abstract：In order to speed up digital and information development in agricultural production，improve the production efficiency，this paper design and develop an irrigation remote monitoring system by micro－controller technology，ZigBee technology and configuration technology and so on．The system consists of monitoring computer，main controller，points controller etc，points controller consists of sensor，power modules，solar panels，solenoid valve，t sends the data collected by the data senor after packing to the monitor terminal of the PC software by the ubiquity of GPＲS network．The data is received and processed by the PC．Based on the data of the default parameters and corresponding parameters collected，the server sends corresponding command to the data spot．The system able to control the solenoid valve，breakdown did not occur in continuous operation．It shows that the system reaches the unattended irrigation remote monitoring and improves the utilization of the water resources effectively．Key words：rice irrigation；ZigBee；automatic control。