基于无线传感网的城市绿地智能灌溉系统设计

0 引 言

在灌溉控制方面，现在我国主要推广的是半自动化灌溉 系统。此类系统利用定时器控制灌溉，比人工控制系统节水。 可以根据经验针对不同气候时段设置不同灌溉程序，减少了灌 溉的随意性。但灌溉程序设定仍依赖管理人员的经验或参考 有关数据。若管理人员经验不足或获得的参考数据准确性差， 编制的程序会导致灌水过量或不足，距离达到精确化、智能 化灌溉仍有很大距离 [1]。本文提出一种基于 ZigBee 无线传 感网近距离通信和 GPRS 远程通信获取绿地信息，并通过网 络自动控制或远程手动控制设计方案，可以自适应控制灌溉， 达到智能灌溉的节水目标。

1 系统整体结构设计 

智能监控及灌溉系统整体框图如图 1 所示，系统主要由 无线传感器网络，GPRS 网络和控制终端组成 [2]。多个带有温 湿度传感器的 ZigBee 节点均匀布撒在绿地上，负责实时采集 土壤温湿度信息并通过 ZigBee 终端节点将数据传输给 ZigBee 路由器节点，路由器节点将数据融合然后传输给 ZigBee 汇聚 节点。ZigBee 汇聚节点通过串口连接 GPRS 模块，该模块将 数据通过网络传输给中心控制服务器。服务器将数据存入数 据库并进行分析处理，然后得出决策信息。控制命令可通过控 制终端发出，由 GPRS 网络和 ZigBee 网络传输到路由器节点， 该节点控制阀门打开进行自动灌溉 [3]。

每个 ZigBee 节点负责一个小区域，节点均匀部署可以保 证获取的数据有效准确，ZigBee 节点短距离通信传输信息功 耗小，可采用太阳能电池作为能源，不必更换电池且可延长节 点使用寿命。智能监控服务器可以根据收到的监测数据做出 决策，发出信令控制电磁阀实施自动灌溉，该智能灌溉系统可 以改善现有的半自动及手动灌溉方式的浪费现象。

2 数据采集与传输设计 

无线传感器网络由部署在监测区域内大量的微型传感器 节点组成，传感器节点实时监测、感知和采集网络分布区域内 绿地温湿度的信息，并将监测到的数据转换成电信号通过无 线多跳的通信方式发送给汇聚节点 [4]。无线通信与组网是无 线传感器网络的主要功能，其核心内容是通信协议，通信协议 使传感器节点组成网络并相互之间传送数据，形成一个网络 整体，从而完成各种复杂的任务，这是无线传感器网络工作 的基础。IEEE 802.15.4/ZigBee 协议是由 IEEE 802.15.4 标准 的物理层（PHY），媒体访问控制层（MAC），ZigBee 的网络 层（NWK）和应用层（APL）所组成的，其突出的特点是网络 系统可保证极低成本、低功耗、易实施 [5]。TI 公司的 CC2530 射频芯片内置的 Z-Stack 协议栈实现了 ZigBee 协议，支持终 端节点、路由器节点以及汇聚节点的组网与数据传输，可以做 很好地开发支持 [6]。

本系统中无线传感网采用树型拓扑结构，整个无线传感 网分为二层组网。第一层组网即终端节点与路由器节点组网， 终端节点分簇，路由器节点作为簇头负责簇的形成以及终端节点信息的汇集。每个簇内采用基于 TDMA 的 MAC 协议，各 个终端节点在不同时隙发送信息给路由器节点。第二层组网 即路由器节点与汇聚节点组网，簇头之间采用 CDMA 机制与 汇聚节点通信。整个网络工作过程为 ：终端节点采集数据并 用 TDMA 机制发送给路由器节点，路由器节点负责数据融合， 然后将数据发给汇聚节点。因此，路由器节点不能休眠，较终 端节点功耗大。汇聚节点通过串口连接 GPRS 模块，将信息发 送给远程的控制服务器，客户端连接服务器可以查看信息并 作出控制决策。 

ZigBee 终端节点由数据采集单元、信息处理单元、通信 单元和能源四部分组成，设计结构如图 2 所示。

ZigBee 路由器节点由控制模块、信息处理单元、通信单 元和能源四部分组成，如图 3 所示。所以路由器节点没有环境 监测功能，但是连接有电磁阀可以控制水龙头的关闭打开，完 成整个系统中控制部分的功能。

3 上位机软件设计 

智能监控系统是整个系统的信息管理和控制核心，是数 据处理的重要环节，能够为用户提供准确的信息和快捷的查 询手段，大大方便了用户使用。服务器端监控管理系统采用 JSP 实现，后台采用 MySQL 数据库来存储绿地温湿度采集的 信息，数据库可存储海量数据，并能进行组织管理，使得数 据查询和使用更快速高效 [7]。通过 JDBC 连接前台页面与后台 数据库。

上位机软件功能结构如图 4 所示，主要包括前台的监测 模块和控制模块，以及后台的用户管理。监测模块可以实时显 示当前采集的数据，并可以对历史数据进行分析，以图形等直 观方式表示。控制模块可以选择控制模式，比如手动控制或自 动控制，手动方式下则支持用户管理设备。后台管理员可以添 加用户并进行管理，使得客户端的登录用户查看数据或控制 系统。

4 结 语

为了提高灌溉效率，节约水资源，结合ZigBee网络低功耗、 自组织等优点，设计了一套基于 ZigBee 无线传感网和 GPRS 的绿地远程智能监控灌溉系统，介绍了系统整体框架设计， 并对网络数据传输和节点硬件进行了设计，最后设计了控制中 心软件。系统可以有效节约水资源，实施自动化精确灌溉，改 善现有手工或半自动灌溉方式。