基于Zigbee无线传感器网络的山地橘园精细化滴灌系统设计
针对国内目前多数灌溉作业人工操作，工作强度大，水资源利用率低的情况，本文提出了基于Zigbee无线传感器网络的滴灌系统。本文介绍了系统的硬件构成，软件设计和工作过程。该系统由太阳能电池供电，能够监测土壤湿度，通过无线网络将信号反馈，并对滴灌动作做出精确判断，实现精细化滴灌。
【关键词】 ZigBee MPPT 滴灌
1 研制背景及意义
1.1 背景
现今的果树种植已越来越趋向农场化的大规模种植。以惠州龙门地区的柑橘园为例，整个龙门县种植柑橘30万亩，每一种植户承包柑橘园有几十亩到上百亩。但处于南方丘陵地区，柑橘园多为山地橘园，常规灌溉采用抽水机从水源处抽水，由人工牵引水管对遍布整座大山的柑橘树进行灌溉，不仅浪费人力、水资源，而且灌溉不均匀，难以取得较好的灌溉效果。
据有关资料显示，目前全球不科学的农田灌溉用去了世界淡水资源的70%以上；我国水资源浪费现象严重，农业灌溉用水的利用系数也很低，平均不到50%，因此，我国把节水灌溉作为国民经济可持续发展的一项战略任务。
但是，在我国已经建成的滴灌示范区中，大多数只引进硬件，很少引进灌溉自动监控系统，进口的自动监控系统价格很高，不太适合我国的国情，致使管理技术落后不能有效地发挥基础设备的作用。
所谓自动灌溉监控系统就是：利用大气、土壤、作物水分运移理论和农田水分调度原理，根据作物需水规律和灌溉制度，准确、科学地预报作物的最佳灌水时间的灌水量，并自动控制微灌设备完成实时调控灌溉，实现作物生育期内水分的自动调控。系统利用气象因素如风速、温度、降雨量、日照量等，土壤湿度理论计算和实际检测相结合。
在农业灌溉区域合理地推广自动化控制系统，不仅可以提高水资源利用率、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。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率，将水源开发、输配水、灌溉技术、水资源合理利用和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水规律等方面统一考虑，综合多种因素合理调配水资源。因此，研制和推广农业节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的迫切需要。
1.2 意义
本系统能够实现何处干旱，便滴灌何处；该处需要多少水，便滴灌多少水的功能。运用了本系统后，不仅大大节省了人力，提高了灌溉效果，并且一般情况下滴灌用水量仅为漫灌的30%，若上文中提到的惠州龙门地区的30万亩橘园有3万亩应用了本系统，一年便可节水约1000万立方米。从长远看，待技术成熟之后，系统可增加检测土壤化肥、农药含量的功能，既便于果民通过自动滴灌系统进行施肥，也可以检测农药污染。
2 功能描述
（1） 采用Zigbee无线传感器网络进行数据传输，具有低成本，低功耗的特点。利用GSM模块将总机从ZigBee监控网络中搜集的信息，以短信的方式发送到用户的手机或电脑客户端。或接受用户发送的操作指令，然后传送给总机，再控制节点进行相应作业。
（2） 采用太阳能MPPT充电技术，可以长期稳定地提供工作监测节点所需电源。
（3） 对土壤湿度进行实时监控，实现精细化滴灌。
3 系统具体设计和制作
3.1 系统设计
本系统由终端、协调器、GSM网关和客户端组成。终端安放在橘园各个监测点，当检测到土壤湿度达到预设的阈值时，将数据发给协调器，并打开电磁阀进行滴灌。协调器负责管理终端节点、统计数据并通过GSM网关将数据传给客户端。系统框架如图1所示：
3.2 工作流程
系统在实际工作中主要为：实时监控与信息反馈、远程人工控制。具体流程如图2、图3：
3.3 作品实物照片（图4、图5）
4 系统性能指标测试
测试装置与设备：数显式湿度计、热风枪、喷雾器
实验步骤：
（1）将湿度传感器理论响应的阀值设定为实验中的临界湿度，记下实际响应时数显示湿度计采集的数据并与临界湿度相比较。
（2）启动系统以及测试装置，调试正常工作状态后开始测试工作。
（3）将传感器置于一个容器内，利用热风枪以及喷雾器调节环境湿度逐渐接近实验临界湿度，记下响应湿度（数显式湿度计）。
（4）按照实验表格填写数据，计算灵敏度、响应时间以及功率。
4.1 系统灵敏度
分析：从表1误差一栏可以看出，实际相应湿度略比设置的临界湿度低一点，分析其原因可能在于系统硬件对湿度下降有延迟性，可以通过修改软件程序、调节系统参数，补偿系统硬件对环境变化的延迟。
4.2 系统响应时间
分析（表2）：传感器在系统进入工作状态的响应时间比进入休眠状态快，而电池阀则基本没有变化，其原因可能在于传感器模块在下降沿时比上升沿敏感度高，电池阀相应时间只与硬件电路有关。
4.3 系统功率
该系统中，耗电量最大的是电池阀部分。在待机时，整个节点处于休眠模式，其电流约为0.4μA。而进入工作阶段，电池阀启动工作，其电流为230mA，功率2.55w。系统应用的电池阀为脉冲式电磁阀，每次滴管时只需要一次导通和一次截断，工作时间约为50ms。而CC2530的主要功耗在于信息反馈时，其电流为30mA，功率0.1w，工作时间约为10ms。
分析：实际应用时，系统的待机时间占到99%以上，因此系统平均功率不大于2mw。配合MPPT自动跟踪太阳能供电，整个系统可以数年稳定供电。
4.4 本系统的创新特色
（1）采用太阳能蓄电池MPPT充电为系统供电，可以跟踪光伏电池的最大输出功率，又可以输出稳定的电压对蓄电池进行充电，使整个控制系统小巧简单，布置方便，足以应付各种恶劣天气。
（2）可在系统主机部分设置和改变土壤湿度和空气温度的参数值，满足植物在不同生长周期、季节的水分需求。
（3）在广阔的种植园中，利用分布各处的传感器和电磁阀对柑橘滴灌进行分区管理，系统能依据山中各处日照、水分蒸发情况不同，采取不同水量的滴灌。
（4）主机实时监控节点工作状态，若节点出现问题，可从主机中找出节点的位置以方便更换。
5 结论
随着本装置研发的深入，产品将会朝基于微机环境下，带有无线传感网络，具有检测农作物氮硫磷等基本生长元素含量，兼有分析作物生长状况能力的嵌入式节能滴灌系统进行升级。本系统应用前景广阔。据统计，我国有66%的耕地位于山地丘陵地区，那些地区灌溉不便，极其耗费人力；而本系统稍稍改造，也可用于温室大棚、平地种植园的滴灌。并且，只需依据种植物的特性改变系统参数，便可将系统应用于其他作物的种植，譬如花卉、人参、木耳、蔬菜等等。
参考文献
[1]孙刚，郑文刚，赵春江.基于Mobus协议的无线灌溉控制系统研究[J].节水灌溉，2008.
[2]Noble Abraham， P. S Hema， E K Saritha， Shinoj Subraman2 nian. Irrigation automation based on soil electrical conductivi2ty and leaf temperature [J].AgricultureWaterManagement，2000.
[3]沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[4]毛慎建，张文革. 智能化灌溉控制器[J].喷灌技术，1995（2）：31-34.
[5]陈龙，邓光灿，孙麒.基于MSP430单片机的多路数据采集系统的设计[J].现代电子技术，2006，29 （20）：107.
[6]邴志刚，卢胜利，刘景泰.面向精准灌溉的传感器网络的研究[J].仪器仪表学报，2006（S1）.
作者单位
华南农业大学 工程学院 广东省广州市 510642
