基于Zigbee的智能农业灌溉系统_王翠香.pdf

水是一种宝贵的资源，更是生命之源，对于地球上各种生物的生存以及人类的生产、生活具有极为重要的1作用。我国水资源总量较大，但人均水资源量较低，因此节水是降低用水量、提高水资源利用率的有效措施。在水资源消耗中，各种农业灌溉占据较大比重，但目前我国农田灌溉水有效利用系数较低，仅为0.536，仍然是以粗放型灌溉为主。因此，提高农业灌溉水的利用率，对于提高我国整体水资源利用率，实现农业的绿色发展2与可持续发展具有重要意义。基于物联网在连接物理世界方面的能力，以及针对现有农业灌溉系统存在的水资源利用率低的问题，本文设计实现了一种基于Zigbee的农业灌溉系统。该系统利用Zigbee芯片构建无线传感器节点，在传感器节点上连接土壤湿度传感器与灌溉水阀控制模块。传感器节点之间，以Zigbee协议无线组网构建基于无线传感器网络技术的物联网。在该系统中，传感器节点实时采集土壤湿度等数据，当土壤湿度数据较低时，自动控制灌溉水阀开展灌溉作业，当土壤温度数据达到预设阈值，自动关闭灌溉水阀，从而实现农业智能灌溉，提高农业灌溉水的资源利用率，为农业的低碳节能与可持续发展提供支撑。1 引言2 系统总体结构设计基于Zigbee的智能农业灌溉系统总体结构设计如图1所示。系统总体结构设计基于物联网的4层模型进行构建。自从2009年物联网技术和“感知中国”概念的提出，物联网技在得到了飞速发展，并被列入国家战略性新兴产3业，得到行业的广泛关注和支持。物联网（Internet of Things，IoT）在现有因特网基础上，通过各种感知识别设45备如传感器网络、射频识别等，采集物理世界各种信息，实现物理世界与信息世界深度融合，实现人与人、人与物、物与物的泛在连接与通信。由于物联网技术在连接物理世界与信息世界领域所具有的技术优势，目前物联网6789在智慧城市、智慧交通、智慧医疗、智能家居等诸多方面都获得了广泛的应用与推广。基于Zigbee的智能农业灌溉系统王翠香 邵 星摘 要：为克服传统粗放型农业灌溉系统浪费水资源、不能精确控制灌溉水量等问题，设计了一种基于Zigbee的智能农业灌溉系统。该系统基于Zigbee协议构建的无线传感器网络，实现土壤湿度数据的实时采集与灌溉水量的智能控制。传感器节点通过湿度传感器，将土壤湿度信息采集上报到服务器端。当传感器节点发现土壤湿度过低，自动通过继电器模块控制灌溉水阀。用户也可通过Web页面远端控制灌溉水阀，实现按需灌溉。系统实现了智能灌溉功能，提高了农业灌溉效率。（盐城工学院 信息工程学院 网络工程系，江苏 盐城 224000）关键词：Zigbee；物联网；无线传感器网络；智能农业灌溉中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：008-6609（2023）01-0070-06作者简介：王翠香（1982），女，山东新泰人，硕士，讲师，研究方向为机器学习、物联网、Web开发。基金项目：国家自然科学基金，项目编号：61502411。电脑与电信综合应用层综合服务层网络构建层感知识别层PC端应用移动端应用智能农业灌溉综合服务器土壤湿度数据分析模块Zigbee协调器节点物联网网关湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点图1 基于Zigbee的智能农业灌溉系统总体结构70.1DOI:10.15966/ki.dnydx.2023.z1.012电脑与电信3 系统硬件设计一方面，土壤湿度传感器通过输入I/O口向CC2530 芯片输入感知到的土壤湿度数据；另一方面，CC2530利用输出I/O口向水阀控制模块发送控制指令，控制水阀的在湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点中，电源电路为CC2530提供电源，晶振电路为CC2530提供时钟信号，从而让CC2530能够工作。CC2530与天线电路连接，实现基于Zigbee的组网与数据收发。电源电路、晶振电路、天线电路与CC2530芯片构成CC2530最小系统。湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点的硬件原理图如图3所示。在网络服务层，所有温度监测与水阀控制Zigbee传感器节点感知的土壤湿度数据送到智能农业灌溉综合服务器，而土壤湿度数据分析模块则对土壤的实时湿度数据进行分析，当土壤湿度数据发生异常时，自动向相关水阀控制Zigbee传感器节点发送控制指令，控制灌溉设备的通断，从而实现智能化的自动灌溉。湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点的硬件结构图如图2所示。传感器节点采用Zigbee芯片CC2530。CC2530作为一种片上系统，内部集成了51单片机内核与Zigbee射频模块，因此基于CC2530芯片仅需较少的外部电路就可构建传感器节点。在综合应用层，用户可以通过PC端的Web页面，或者是移动端的APP应用，实时查看农田土壤湿度数据，同时也可下发控制指令，开关指定的水阀控制设备，从而实现智能农业灌溉。在网络构建层，所有湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点通过Zigbee协议自组织构成无线多跳的无线传感器网络，且所有数据汇聚到Zigbee协调器节点，进而Zig bee协调器节点与网关节点互连，实现Zigbee网络与外部因特网的互联互通。3.1 湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点硬件设计在感知识别层，通过部署温度监测与水阀控制Zig bee传感器节点，监测土壤湿度数据，并依据土壤湿度数据对农田灌溉水阀进行自动智能控制。天线电路土壤湿度传感器CC2530芯片水阀控制模块电源电路晶振电路图2 湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点硬件结构图3 湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点电路图71电脑与电信4.1 湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点软件设计开合，实现农田灌溉水的控制。Zigbee节点依据土壤湿度控制水阀开关的核心代码如下所示：为了方便与外界服务器和因特网互联，物联网网关配备了WiFi通信模块、5G通信模块、以太网通信模块。3种通信方式涵盖了目前的主流通信方式，便于物联网网关依据部署地点的通信基础设施选择合适的通信方式与后端服务器等设备互联通信。此外，为了便于管理人员查看物联网的工作状态，物联网网关配备了触摸液晶屏模块，便于管理员对物联网网关进行操作和管理。3.2 物联网网关硬件设计物联网网关硬件结构如图4所示。物联网网关作为传感网与外界因特网沟通的桥梁，负责数据的转发和协议的转换。物联网网关的处理器采用ARMCortexA9芯片，由电源电路和晶振电路为A9芯片提供工作能量和时钟信号。A9芯片通过串口与Zigbee协调器节点连接。在Zigbee 网络中，Zigbee协调器节点相当于无线传感器网络的汇聚节点。在本智能灌溉系统中，所有湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点采集的数据汇聚到Zigbee协调器节点，而协调器节点再通过串口，将数据交给A9芯片。物联网网关硬件原理图如图5所示。湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点软件基于TI提供的Zigbee协议栈Z-Stack设计开发，工作流程如图6所示。湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点上电以后，经过板级硬件初始化、操作系统抽象层OSAL初始化、加入Zigbee网络以后正式进入工作状态。在工作状态下，传感器节点设置一个周期性定时器T，每当定时事4 系统软件设计void SampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt)switch(pkt-clusterId)case SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID:if(pkt-cmd.Data0 17)/土壤湿度小于17%情况下 P0_5=0;/继电器闭合 else P0_5=1;/继电器打开 break;图5 物联网网关硬件原理图图4 物联网网关硬件结构WiFi通信模块5G通信模块串口以太网通信模块Zigbeet协调器节点ARM A9芯片触摸液晶屏模块电源电路晶振电路72电脑与电信MQTT服务器用于与物联网网关交互，负责传感器节点上报数据的接收和用户指定到物联网网关的下发。作为一种基于TCP协议的轻量级通信协议，MQTT协议可以减少数据传输次数、节省传输开销，特别适合于物联网通信环境。MySQL服务器用于存储MQTT服务器接收到的传感器网络发来的感知数据，包括每个节点采集的实时的土壤湿度数据以及相应的灌溉水阀开合状态数据。此外，MySQL服务器还存储有Web系统的相关数据，如用户数据等。4.2 物联网网关节点软件设计物联网网关节点软件的流程如图7所示。物联网网关一方面通过串口，读取Zigbee协调器节点发来的土壤湿度和水阀开合数据，并在程序界面显示；另一方面，用户可在程序界面查看实时的土壤湿度数据和水阀开合数据，并在管理界面按需下发指定水阀的关闭或打开指令，指令通过串口发给协调器节点，进而发送给指定Zigbee传感器节点，实现对水阀开合的控制。此外，在获取土壤湿度和水阀开合数据后，物联网网关节点将数据打包，并使用轻量级的MQTT协议，将打包的感知数据通过Publish()函数上报到服务器端。4.3 服务器端软件设计服务器端软件结构与流程如图8所示。服务器端主要包含3个服务器，分别是MQTT服务器、MySQL服务器、Web服务器。件到达，将通过I/O口读取湿度传感器采集的土壤湿度数据H，并通过Zigbee网络上报到后端服务器。同时传感器节点将采集的土壤湿度数据H与预先设定的下限阈值Hs进行比较，如果H小于Hs，则说明当前土壤湿度较低，较为干旱，需要进行灌溉作业，打开灌溉水阀开始灌溉作业，否则说明土壤湿度足够，不需要灌溉，将灌溉水阀关闭。完成灌溉后，土壤湿度数据H与预先设定的上限阈值Hg进行比较，如果H大于Hg，则说明当前土壤湿度已经达到要求，可以关闭水阀。完成灌溉水阀设置后，传感器节点再次等待新的事件到来。Web服务器通过Web端服务程序，向用户提供应用接口，具体包括PC端浏览器应用接口和移动端APP应用接口。整个Web端应用程序包括系统管理员页面与用户页面。在用户页面中，可以实现智能农业灌溉系统所有传感设备状态与参数查看，查询并展现指定时间段节点上电板级硬件初始化设置定时器THHg?关闭灌溉水阀开关加入Zigbee网络上报土壤湿度H利用传感器采集土壤湿度H图6 湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点软件流程是是否Zigbee协调器节点读取串口数据控制指令通过串口发送将湿度数据、水阀开合数据打包获取湿度数据、水阀开合数据使用Publish().上报数据程序界面显示Zigbee协调器发来的数据服务器生成水阀开合指定用户设置指定节点水阀开合串口图7 物联网网关节点软件流程73电脑与电信为了测试湿度监测与水阀控制Zigbee传感器节点的智能自动灌溉功能，将自动灌溉的土壤湿度下限阈值设置为17%，上线阈值设为40%。将一个节点的土壤湿度传感器放入较为干燥的土壤中，节点在发现土壤湿度低于17%开始打开灌溉水阀，当土壤湿度高于40%，立刻关闭水阀，从而确保农田土壤处于适合农作物生长的湿度环境，实现农田的智能灌溉。5 系统测试内的传感数据和实时传感数据的展现、水阀控制。在系统管理页面，管理员可以对系统用户和系统中的数据进行管理。此外，Web服务器对移动端用户和PC端用户进行了适配，使得不同平台的用户可以使用同一套Web服务程序实现数据展现与设备控制。为了验证基于Zigbee的智能农业灌溉系统的功能与性能，对整个系统进行了联调联试。将系统的各部分分别上电，包括传感器节点、协调器节点、物联网网关、MQTT服务器、MySQL服务器、Web服务器，并分别通过PC端的浏览器和移动端APP访问系统的Web网页。系统Web页面如图9所示。由于Web服务程序对PC端浏览器和移动端进行了适配，因此两端用户访问Web页面的结果相似，可以查看整个系统中各个传感器节点和网络节点的状态、查看传感器网络实施感知的土壤湿度数据和水阀开关状态数据，并且能够通过指定起止时间查询历史感知数据。如图9所示，在测试中系统页面显示系统所有节点和每个节点采集的土壤湿度及其水