0 引言
目前，我國一些地方利用從國外引進的農業節水灌溉系統，對于灌溉水平和水資源利用率的提高起到了一定的積極作用，但由于系統成本過高、參數標定不完整、缺乏相對應的高級決策功能、系統維護和更新難以保證等眾多的問題限制了農業節水灌溉系統的使用和大面積推廣。針對目前的現狀開發基于ZigBee無線模塊的智能節水灌溉系統，對提升節水灌溉農業技術的高科技含量，建立適合我國國情的節水灌溉農業技術體系。
本文以ZigBee無線模塊技術、GPRS技術為核心，實時采集田間土壤溫度、濕度等數據進行ZigBee數據采集，完成智能節水灌溉系統的應用研究，監測土壤的墑情和農作物的生長，實現節水灌溉管理智能化的設計思想。
1 ZigBee簡介
ZigBee 技術的前身是“HomeRFlite”技術，其核心協議由2000 年12 月成立的IEEE 802.15.4 工作組制定的，高層應用、互聯互通測試和市場推廣由2002 年8 月組建的ZigBee 聯盟負責。ZigBee 強調低成本、低耗電、雙向傳輸、感應網絡功能等特色。IEEE 終將ZigBee 接納為IEEE 802.15.4 的標準與ZigBee 聯盟共同致力于WPAN的標準制定。ZigBee 作為一種無線連接，可工作在2.14GH(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3 個頻段上，分別具有最高至250 kbit/、20 kbit/s、40 kbit/s 的傳輸速率，它的傳輸距離在10~75m的范圍內，但還可以繼續增加。依據發射功率的大小和應用模式而定，1臺ZigBee設備可以連接多達254個同類的設備。
2 智能節水灌溉系統的總體方案設計
智能節水灌溉系統以ZigBee無線傳感器技術為核心，綜合利用無線網絡技術、GPRS技術、Internet 技術、節水灌溉技術和應用自動化控制技術進行精準農田信息（田間土壤水分、溫濕度、雨量、蒸發量等）采集，通過Internet 網絡平臺、網絡平臺灌溉管理系統，實時遠程監測作物的需水和生長狀況，智能決策并實現節水灌溉系統電磁閥實現自動控制，使傳統的灌溉系統實現了由靜態向動態“人工智能”的轉變。智能節水灌溉系統總體方案結構如圖1所示。
圖1 ZigBee 智能節水灌溉系統結構圖
3 系統功能模塊設計
3.1 灌溉實時數據采集模塊
系統灌溉實時ZigBee數據采集系統由田間土壤水分監測傳感器系統、溫濕度監測傳感器系統、雨量蒸發量監測傳感器系統組成。這個系統的功能是，實時采集灌溉區域各個傳感器數據，通過ZigBee數傳模塊網絡傳遞到數據接收系統。
系統由溫度、濕度ZigBee數據采集與數據發送端和數據接收端兩部分組成，發送端由測溫電纜、采集器、檢測分機組成，接收端由微型計算機、檢測主機組成。每一個采集器可接多個傳感器，一臺檢測分機最多可驅動16 個采集器。接收端的微型計算機主要進行溫度數據存儲、分析、管理，檢測主機根據計算機給出的檢測命令向各檢測分機按順序發出各種命令，同時接收各分機發送的傳感器數據傳給計算機。通信采用時分復用技術，既檢測主機通過掃描的方式與各個發送端進行點對點雙向通信。
3.2 數據通信模塊系統
ZigBee 無線監測主要由分布在監測區域的各種水位計、雨量計和閘位計組成，各測量單位都配備有低成本的ZigBee無線模塊遠端節點用于無線網絡上傳數據； 監測區域內也按照距離的需要分布有ZigBee無線模塊路由節點組成了無線ZigBee數傳網絡，所有的水文數據都可以通過這一網絡上傳到ZigBee 中心節點，其覆蓋范圍幾乎可以無限的擴展；它無距離限制，且無需網絡規劃、幾乎不需要維護；所構建的ZigBee 網絡既可以是星形拓撲，也可以是網狀網絡拓撲，不論是哪種拓撲結構的ZigBee 網絡，根據實際的組網需要，設計合理的網絡結構。接收來自ZigBee無線傳感器的采集數據，或發送來自網絡傳遞的數據，通過數據轉換，傳輸到遠程計算機系統或接受遠程監控命令。把數據接收系統采集的雨量蒸發量值、溫濕度等數據和嵌入式計算機系統的內根據不同作物的土或灌溉對象設置灌溉參數值進行數值分析計算，決定是否灌溉，把判斷結果輸出到數據發送系統。由采集數據數值計算與處理系統的功能是將計算機判斷與結果輸出的結果轉換成無線控制指令，發送到控制系統。
3.3 GPRS數據終端模塊系統
本系統數據采集主要由GPRS 數據傳輸終端、監控終端、GPRS網絡以及地面監控中心等部分協作完成。其中，灌溉系統監控終端完成數據的采集與處理工作，采集到的數據通過ZigBee 無線傳感器模塊與GPRS數據傳輸終端相連接，并通過GPRS數據傳輸終端內置的嵌入式處理器進行處理以及協議的封裝，然后發送到GPRS網絡，GPRS網絡通過串行通訊方式與地面監控中心進行通信，監控中心接收到數據后對數據進行分析處理，并將有效數據保存到監控中心數據庫中。GPRS模塊主要包括數據處理模塊、通信模塊、模數轉換模塊和顯示模塊四部分。數據處理模塊包含CPU芯片，CPU用于處理與通信模塊、模數轉換模塊和顯示模塊間的數據傳輸，為保證數據不因為斷電而丟失，采用Flash器件對數據進行存儲。
4 無線測溫系統的軟件設計
本系統軟件設計比較復雜，整個軟件系統的流程如圖2 所示，主要有以下幾個關鍵函數：DS18B20 初始化及溫度采集函數、發送（接收）函數、數據顯示函數、串口通信函數等。
圖2 無線測溫系統軟件流程
5 結論
本文提出一種基于ZigBee無線模塊的傳感器網絡技術的節水灌溉系統的軟件設計與實現方法，以ZigBee 數傳模塊為核心，結合嵌入式技術和節水灌溉技術，實現了田間土壤水分、溫濕度、雨量、蒸發量等各種數據的實時ZigBee數據采集，由ZigBee無線傳感器網絡傳輸數據，通過開發節水灌溉決策系統軟件計算，輸出指令，自動控制灌溉的智能節水灌溉系統。