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（西安工业大学 电子信息工程学院 陕西西安 710021）

摘要：针对国内目前多数灌溉作业需人工操作，费时费力且效果不佳，提出基于ZigBee的节水灌溉系统。该系统将喷滴灌相结合，能够监测植物土壤湿度和天气状况的变化，通过无线网络将传感器信号反馈，结合传感器融合技术可对灌溉动作做出精确判断，实施高效的节水灌溉措施。

关键词：节水灌溉；ZigBee；无线传感网络；Android

The water-saving irrigation system based on ZigBee

Abstract: In order to solve the problems of drip irrigation，such as work manually，time-consum ing and poor effect, water-saving irrigation system based on ZigBee is presented.The combination of spray and drip irrigation systems, to monitor the soil moisture and plant changes in weather conditions over the wireless network signal feedback, combined with sensor fusion technology can make accurate judgments on irrigation, and implement high efficient water - saving irrigation measures.

Keywords: water-saving irrigation; ZigBee; wireless sensor network; Android

引言

目前，我国的自动灌溉技术得到了很大的推广和应用，但是现阶段的自动灌溉大都是有线的传输信息且仅采用一种灌溉模式。由于灌溉方式单一和实时数据采集与分析的不及时，极大地影响了自动灌溉的效益，加之某些地区地理条件和生产条件的限制，对自动灌溉技术的广泛应用显得较为困难。本文主要对自动灌溉系统中的无线通信进行研究，将ZigBee技术与Android技术应用于自动灌溉系统，并提出将喷灌与滴灌技术结合的灌溉方式，克服田间布线和维护的困扰，并且最大程度的进行节水灌溉。

1自动灌溉系统介绍

1.1工作原理

如图1所示，节水灌溉系统中的空气温湿度传感器、土壤湿度传感器及雨量传感器将采集到的信号经ZigBee及蓝牙传输至Android监控中心，Android监控中心将检测到的信号与预先设置的适宜值进行比对，再决定对电磁阀的开关动作，以达到控制土壤含水量的目的；而农田作物对水量的需求可以由经验或者实验得出，这样使得田间农作物能够生长在比较良好的土壤湿度环境下。这种方式能够最大限度地节约灌溉用水，对于大规模的农田灌溉具有非常好的应用前景。同时Android监控中心能够实时了解到当前系统中各个节点的工作状态，一旦出现异常，如通信中断、传感器采集异常的情况，能够及时地反应到Android监控中心，监控中心可以立即通知人员维护，提高整个系统的可靠性。此外，该系统可以进行人为控制施肥装置对农作物进行施肥。

传统的灌溉方式单一，喷灌滴灌和漫灌的任何一种都有一定的缺点，不能同时做到节水与灌溉，这对水资源严重缺乏和水旱灾害频繁的我国是十分不利的。

而喷滴灌结合的灌溉方式与传统的灌溉相比有着以下优势：

（1）喷滴灌结合的灌溉方式结合了喷灌和滴灌的优点，使得水分的渗漏和损失减少到最小，节约水资源，实现了高效益灌溉；

（2）具有喷灌技术使灌溉区域的土壤充分均匀湿润的优点；

（3）具有滴灌技术局部微灌作用的优点，是水分缓慢均匀渗入土壤，减少水分蒸发且对土壤的结构能够起到保持作用；

（4）喷滴灌结合，可适应各种类型的土壤和作物，受地形条件的限制小。

1.3 ZigBee无线通信

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE批准的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。网络功能是ZigBee 最重要的特点，也是与其他无线局域网(WPAN)标准不同的地方。在网络层方面，其主要工作在于负责网络机制的建立与管理，并具有自我组态与自我修复功能。ZigBee与其他主要无线通信技术的比较如表1。

节水灌溉系统中，对于土壤湿度的测量及监控是一个重要部分。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械装置，且依靠人力监测作物的生长状况。采用了由多个传感器构成的ZigBee网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的装置来耕种。基于ZigBee的对于土壤湿度的监控系统是由一个主节点和监控平台（安卓）连接，从节点则分散在环境中。传统的监控方式大多采用有线连接，使主从节点通过串口（RS485/RS232）与监控中心连接形成一个监控网络，采集到的信号、数据等则都通过这个网络来传输。但是在复杂的农业环境中有很多因素可能会引起线材的通讯故障，比如污染，电线短路、人为因素等，在有问题的线路上进行数据传输必然会影响通信质量，甚至有可能引起错误，导致检测不能正常进行。通过对比研究发现：除基于802.15.4的ZigBee规范外，其他技术规范(如蓝牙，GSM网络等)，最多只能支持星型拓扑结构，不适用于大片区农田监测，且协议栈本身过于复杂，能量开销也比较大。而通常来说，自动灌溉系统中采集的数据量不大，变化率也不大，所以对于土壤湿度监控系统来说采用基于ZigBee技术的无线传输技术无疑是一个比较好的选择。

2.1设计思路

本系统划分成四个模块，分别是传感模块、控制节点模块、中心节点模块和监控中心模块。四个模块关系如图2所示。

2.2 ZigBee和蓝牙传输

2.2.1 ZigBee模块

在我们的系统中，我们主要用到的就是基于CC2530的Zigbee模块。我们运用CC2530来实现终端节点与中心节点的数据无线传输，并且我们还要用到CC2530的I/O口输出的高低电平来实现对设备的控制。

（1）Zigbee节点硬件设计

首先传感器节点模块、中心节点模块、控制节点模块进行组网，在我们组建的Zigbee网络中，空气温湿度的采集终端节点和中心节点需两个zigbee模块，雨量信息的采集需要一个采集终端节点模块，土壤水分的采集需要一个采集终端节点模块，喷灌和滴灌需要各需一个终端节点模块，一共6个节点可以自组网组成一个星状网络。自组网完成之后，协调器会给每一个终端节点固定分配一个MAC地址，Zigbee中心节点可以通过16位的短地址来发送控制命令，用MAC地址来确定要接收命令的是具体的哪一个终端节点，进而可以与具体的某一个终端节点进行数据信息的传输。

如图3所示为Zigbee自组网形成的一个星状网络：

在Zigbee网络中，节点分为三种类型：协调器、路由器和终端节点。

协调器节点：协调器节点上电初始化，首先初始化硬件设备，建立网络，然后设定网络地址，接着初始化射频发送，开启数据接收功能，确定需要接受的数据，以及对收到的数据进行处理上传。

（3）蓝牙通信

“蓝牙“是一种短距离无线连接技术标准，实质内容是建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准。利用蓝牙技术，可以有效简化移动通信终端设备之间的通信以及设备与互联网之间的通信，从而使数据传输更加方便高效。

2.3.1Android界面设计

Android系统采用XML可扩展标记语言完成界面设计，主要包括显示界面、和menu界面。在显示界面可以看到当前的空气温湿度、土壤湿度、雨量等环境值。在menu界面可以点击按钮进入自动灌溉和手动灌溉模式。

各终端节点将采集到的数据发送给协调器，协调器通过蓝牙模块将数据发给Android平台，在Android实现对各节点信息的管理，完成对无线节点采集的数据进行远程实时的监测与控制。基于Android的网关设计与实现，需要以下步骤：

（1）打开蓝牙设备

在应用程序使用蓝牙通信之前，需确认设备是否支持蓝牙，如果蓝牙被支持，则在应用程序中实现蓝牙的启动。该过程需要两个步骤，并且要使用BluetoothAdapter这个类。通过调用静态方法 getDefaultAdapter () 获取蓝牙适配器BluetoothAdapter。部分代码如下

Pivate BluetoothAdapter_bluetooth=BluetoothAdapter. getDefaultAdapter()

打开软件时自动弹出请求打开蓝牙对话框，如图8所示：

搜索蓝牙设备:使用BluetoothAdapter类里的方法，在对方蓝牙设备已经开启的前提下，可以查找远端蓝牙设备或者查找Android设备上已经匹配的其他蓝牙设备，远端设备的基本信息（主要是设备名称和MAC地址）被保存下来并可以使用蓝牙的API来读取。使用已知的MAC地址就可以对远端的蓝牙设备发起连接请求。搜索设备界面是用两个ListView来分别显示已配对设备及附近未配对的设备。

（3）蓝牙连接

蓝牙设备间的连接使用客户端和服务器端模式。一个设备打开 server socket，另外一个设备仅初始化一个到该设备的连接，即一个开启服务来监听，一个发起连接请求（使用服务器端设备的MAC地址）。使用BluetoothDevice对象里的方法 createRfcommSocketToServiceRecord (UUID) 来 获 取BluetoothSocket；调用connect()方法，如果远端设备接收了该连接，将在通信过程中共享RFCOMM信道；当设备连接之后，每个设备都拥有各自的 BluetoothSocket。通过调用getInputStream()和getOutputStream()方法来获取输入输出流。然后通过调用read(byte[ ])和write(byte[ ])方法来读取或者写入数据。

（4）通过蓝牙数据流实现下放命令与上传数据的交互处理

主控制界面可以通过按钮进入自动灌溉和手动灌溉两种工作模式，自动灌溉是基于土壤湿度，当土壤湿度达到湿度下线时自动启动灌溉系统;手动控制是为应急而设置的一个的模块以防自动灌溉系统出现故障。

手动控制是为应急而设置的一个的模块以防自动灌溉系统出现故障。主要实现的功能是点击相应按钮系统将通过蓝牙模块发送相应控制命令给协调器节点的蓝牙模块，从而控制相应硬件设备执行相应动作。

3结论

本文阐述了基于ZigBee无线通信技术与蓝牙结合设计自动控制灌溉及对周边环境的监测方案。应用ZigBee无线通信技术可以实现小范围的无线网联，解决布线问题，降低成本，且无线节点安装方便，更换简单。较好的解决了传统系统中因采用RS 一 485通信方式带来的布线多、施工难、成本高、难于维护和不便扩展等突出问题。同时利用蓝牙能通知手机用户，用户进行简单的手机操作就可实现灌溉。应用此系统能提高灌溉用水利用率，同时改善农业生产管理，并实现节水智能灌溉。

参考文献：

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[4]杨景辉,刘树林.基于ZigBee煤矿无线网络监控系统设计

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