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摘 要：随着我国经济的迅速发展，农业生产势必会采用各种先进的技术，以达到提高产量，节约资源的目的。文章采用Zigbee和GPRS技术来设计一个精确灌溉系统，系统通过中央监控服务器可实现精确灌溉、远程管理、移动控制的功能，利用模糊控制方式对农作物进行灌溉，简单可靠，节水增产。
关键词：Zigbee；GPRS；精确灌溉
无线网络传感器（Wireless Sensor Networks，WSN）融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，是多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。ZigBee协议是无线传感网络中应用最广泛的协议，它有着低功耗、低成本、时延短、网络容量大、可靠性高、安全性强等优点。
GPRS是通用无线分组业务（General Packet Radio Service）的简称，是一种基于GSM（Global System for Mobile Communications）系统的无线分组交换技术，在GSM协议构架的基础上增加了支持分组交换的协议，而实现基于分组的无线通信服务。相对于原有的GSM网络，GPRS的传输速率有了很大的提升且覆盖范围广、传输速率高、登录接入时间短、提供实时在线功能、可与IP网无缝连接等优点，可以满足各种小流量的远程数据传输要求，对偶尔的大流量数据传输也能胜任。
1 精确灌溉系统介绍
1.1 工作原理
本系统基于Zigbee和GPRS技术设计了远程精确灌溉系统，系统有三层结构。第一层：监控现场的ZigBee网络，主要包括传感器节点、阀门控制器节点和变频器控制节点。拓扑结构采用星型网络拓扑结构，传感器节点釆集环境信息，具体包括：空气温度、空气湿度、光照和土壤湿度。第二层：现场控制器节点，主要包括ZigBee网络的汇聚节点，作为系统的网关节点，此节点由ZigBee单片机、GPRS模块和ARM模块共同构成。其中，ARM模块作为主控模块，ZigBee单片机与GPRS模块通过串口与ARM进行通信。此节点的主要功能是集中管理现场各节点信息，并将各节点采集的数据封装成TCP/IP格式的数据包，再通过GPRS网络和Internet网络传送到监控中心。第三层：监控中心计算机、远程计算机、移动终端均可作为监控中心，监控中心集中处理网关节点传送过来的数据，并把数据存入数据库。监控中心根据监测信息对监控现场进行分析，对现场各个电磁阀进行控制，以控制现场灌溉，进而达到实时控制灌溉的目的。
1.2 精确灌溉的优势
精确灌溉按水出流的方式主要分成4种形式：滴灌、渗灌、微喷灌、脉冲灌溉。其主要特点都是在植物的株行距之间放置安装了灌水器的聚乙烯软管以及相应的管道系统组成的网络，通过灌水器精确流量。本系统的精确灌溉采用自动滴灌形式。自动滴灌属于全管道输水和局部微量滴灌，使得水分的渗漏和损失减少到最低。滴灌系统的阀门采用自动控制，可以节省人工开销，降低生产成本。使水分缓慢均匀地渗入土壤，对土壤结构能够起到保持作用。减少水肥渗漏，节省化肥用量，减少污染。
2 系统总体架构介绍
根据精确灌溉系统的需求可以确定系统由远程监测、远程灌溉控制和远程监控中心三层架构组成。
系统远程监测的主要功能是采集农作物生长的环境信息，利用无线传感器网络釆集现场的环境信息并及时将数据传输给上位机，主要包括：底层传感器、Zigbee数据传输模块和Zigbee&GPRS模块的铺设，底层传感器和Zigbee数据传输模块之间的通信调试，Zigbee模块组网，Zigbee&GPRS中心节点和远程计算机之间的通信调试。设备铺设可根据农作物的具体面积，植株密度来规划，可通过调整功率方式来调整通信的距离。
远程灌溉控制主要是通过控制各级电磁阀来实现对水量的控制，控制电磁阀需要提供一个开关量信号。Zigbee数据传输模块和Zigbee&GPRS模块均可提供此类开关量信号。远程PC就可以通过控制Zigbee数据传输模块和Zigbee&GPRS模块的开关量输出来控制电磁阀。为了提高控制的可靠性，可加大电磁阀的工作功率，可在电磁阀和Zigbee数据传输模块或Zigbee&GPRS模块之间添加继电器隔离放大电路来保证安全。
远程监控中心的设计主要包括：灌溉制度的设计和交互界面的设计。为实现系统的灵活灌溉，可将系统的灌溉模式分为自定义灌溉和自动灌溉2种。自定义灌溉指用户可根据自己的判断来决定何时灌溉、灌溉时长。自动灌溉指系统根据无线传感器网络采集到的土壤水分数据来判断植株是否需要灌溉。按照各部分功能的不同设计交互界面的子界面。用户通过交互界面实现灌溉控制，同时也可以查看农田的实时数据、历史数据等监测情况。系统不仅可以将底层数据传输到远程服务器上，还可以将远程终端发出的指令传输给底层设备。即数据在各条通信链路上的传输都是双向的。底层数据传输到服务器之后，不仅远程PC可以得到数据，其他形式的移动终端可以得到。同样，不仅远程PC可以向底层设备发送指令，其他形式的移动终端也可以。系统总体结构如图1所示。
3 系统硬件设计与实现
系统硬件设计主要包括了现场无线传感网络设计和电磁阀驱动电路设计。现场监测和远程控制的实现，还需要对通信链路进行调试并根据通信协议编写控制指令。以下主要对监测部分硬件设计与实现进行阐述。
监测部分的硬件主要包括几部分：底层传感器、Zigbee模块、Zigbee、GPRS模块、上位机和直流电源等。设计的主要任务是：选择合适的传感器，Zigbee组网，Zigbee&GPRS模块与上位机的通信调试。系统选用 FDR法的土壤水分温度传感器，传感器检测出土壤温度和含水量，一端可以引出4根接线，红色和绿线接24V电源，黄色和蓝色为RS485接口，传感器通过此接口向Zigbee接口上传数据，通信协议采用Modbus RTU协议。Zigbee网络的组网过程：通过RS485接口Zigbee模块可下挂若干传感器。若干Zigbee模块在Zigbee&GPRS模块的协调下组成Zigbee网络，数据最终汇集到Zigbee&GPRS模块中。具体组网过程如图2所示。 4 系统软件设计与实现
系统软件设计主要包括：监控界面设计、控制策略的设计、模糊控制器的设计研究、组态王与MATLAB通信的实现研究。
监控界面的主要功能包括：实时查看现场采集的数据，用户通过界面向现场发送控制指令，灌溉异常时报警。监控界面的设计应遵循人性化，易操作的原则。系统软件的设计采用组态软件，组态软件是专门针对工业自动监测控制系统开发的工控软件，包含许多功能模块，可直接调用功能模块搭建完善的监控系统，不需复杂程序的编写，大大缩短了软件的开发周期并降低开发成本。本系统釆用亚控科技开发的组态王kingview6.55进行监控界面的设计。监控界面主要分以下几部分：首页（系统总体概况）、灌溉中心（灌溉形式的选择）、监测中心（查看所有节点的实时监测数据）、控制中心（实时控制任意电磁阀）、数据中心（查询实时数据、历史数据）、节点工作状态查询（实时显示节点的工作状态）、帮助。
系统控制策略的本质是如何实现自动控制电磁阀。传统灌溉中，人为以经验判断所需的灌溉水量，水量控制不准确，容易灌溉过量。本系使用闭环控制以准确的计算及数据为依据，保证了灌溉的准确度。闭环控制是以输入信号与反馈信号之差作为控制信号作用于执行机构，同时及时反馈新的执行结果，直到执行结果达到预期标准为止。
影响灌溉控制精度的因素有很多。例如：土壤湿度、蒸腾量。建立数学模型时需要以土壤温度和蒸腾量共同作为判断条件来建立数学模型，这样很难建立精确的数学模型。灌溉控制属于非线性控制。模糊控制是模糊数学与控制理论相结合的产物，它可以对难以建立精确数学模型的复杂对象实现有效控制，它采用“不精确推理”，使用语言变量，使控制过程易于介入人的经验，并且对过程参数的变化不敏感，所以非常适合处理非线性、时变及大滞后的控制问题。
组态王与MATLAB之间的通信可以通过COM组件技术或者DDE技术实现。组态王就可以不断地将采集到的土壤水分数据传送到MATLAB程序中，数据经过模糊控制器的处理后，MATLAB再将结果返回给组态王，完成整个控制。
5 结语
本文介绍了基于Zigbee和GPRS技术的精确灌溉系统的设计过程，在已有的技术基础上，为现代农业提供了一个可参考可实施的自动化灌溉方案，具备一定的应用价值。随着无线传感器网络技术的推广，精确灌溉技术将会在农业上得到更广泛的应用和发展。
Design of Remote Precision Irrigation System Based on Zigbee and GPRS
Yuan Lijuan， Wang Tao
（Department of Information Technology， Baoding University， Baoding 071000， China）
Abstract： With the fast economic development in China， agricultural production certainly will adopt various kinds of technology to increase production and save resources. This article adopts Zigbee and GPRS to design an accurate irrigation system. This system employs central monitor server to ensure accurate irrigation， remote management and mobility control， employs fuzzy control to irrigate crops， this method is simple and reliable， and is easy to achieve the goal of water saving and production increasing.
Key words： Zigbee； GPRS； accurate irrigation
关键词：Zigbee；GPRS；精确灌溉
无线网络传感器（Wireless Sensor Networks，WSN）融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，是多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。ZigBee协议是无线传感网络中应用最广泛的协议，它有着低功耗、低成本、时延短、网络容量大、可靠性高、安全性强等优点。
GPRS是通用无线分组业务（General Packet Radio Service）的简称，是一种基于GSM（Global System for Mobile Communications）系统的无线分组交换技术，在GSM协议构架的基础上增加了支持分组交换的协议，而实现基于分组的无线通信服务。相对于原有的GSM网络，GPRS的传输速率有了很大的提升且覆盖范围广、传输速率高、登录接入时间短、提供实时在线功能、可与IP网无缝连接等优点，可以满足各种小流量的远程数据传输要求，对偶尔的大流量数据传输也能胜任。
1 精确灌溉系统介绍
1.1 工作原理
本系统基于Zigbee和GPRS技术设计了远程精确灌溉系统，系统有三层结构。第一层：监控现场的ZigBee网络，主要包括传感器节点、阀门控制器节点和变频器控制节点。拓扑结构采用星型网络拓扑结构，传感器节点釆集环境信息，具体包括：空气温度、空气湿度、光照和土壤湿度。第二层：现场控制器节点，主要包括ZigBee网络的汇聚节点，作为系统的网关节点，此节点由ZigBee单片机、GPRS模块和ARM模块共同构成。其中，ARM模块作为主控模块，ZigBee单片机与GPRS模块通过串口与ARM进行通信。此节点的主要功能是集中管理现场各节点信息，并将各节点采集的数据封装成TCP/IP格式的数据包，再通过GPRS网络和Internet网络传送到监控中心。第三层：监控中心计算机、远程计算机、移动终端均可作为监控中心，监控中心集中处理网关节点传送过来的数据，并把数据存入数据库。监控中心根据监测信息对监控现场进行分析，对现场各个电磁阀进行控制，以控制现场灌溉，进而达到实时控制灌溉的目的。
1.2 精确灌溉的优势
精确灌溉按水出流的方式主要分成4种形式：滴灌、渗灌、微喷灌、脉冲灌溉。其主要特点都是在植物的株行距之间放置安装了灌水器的聚乙烯软管以及相应的管道系统组成的网络，通过灌水器精确流量。本系统的精确灌溉采用自动滴灌形式。自动滴灌属于全管道输水和局部微量滴灌，使得水分的渗漏和损失减少到最低。滴灌系统的阀门采用自动控制，可以节省人工开销，降低生产成本。使水分缓慢均匀地渗入土壤，对土壤结构能够起到保持作用。减少水肥渗漏，节省化肥用量，减少污染。
2 系统总体架构介绍
根据精确灌溉系统的需求可以确定系统由远程监测、远程灌溉控制和远程监控中心三层架构组成。
系统远程监测的主要功能是采集农作物生长的环境信息，利用无线传感器网络釆集现场的环境信息并及时将数据传输给上位机，主要包括：底层传感器、Zigbee数据传输模块和Zigbee&GPRS模块的铺设，底层传感器和Zigbee数据传输模块之间的通信调试，Zigbee模块组网，Zigbee&GPRS中心节点和远程计算机之间的通信调试。设备铺设可根据农作物的具体面积，植株密度来规划，可通过调整功率方式来调整通信的距离。
远程灌溉控制主要是通过控制各级电磁阀来实现对水量的控制，控制电磁阀需要提供一个开关量信号。Zigbee数据传输模块和Zigbee&GPRS模块均可提供此类开关量信号。远程PC就可以通过控制Zigbee数据传输模块和Zigbee&GPRS模块的开关量输出来控制电磁阀。为了提高控制的可靠性，可加大电磁阀的工作功率，可在电磁阀和Zigbee数据传输模块或Zigbee&GPRS模块之间添加继电器隔离放大电路来保证安全。
远程监控中心的设计主要包括：灌溉制度的设计和交互界面的设计。为实现系统的灵活灌溉，可将系统的灌溉模式分为自定义灌溉和自动灌溉2种。自定义灌溉指用户可根据自己的判断来决定何时灌溉、灌溉时长。自动灌溉指系统根据无线传感器网络采集到的土壤水分数据来判断植株是否需要灌溉。按照各部分功能的不同设计交互界面的子界面。用户通过交互界面实现灌溉控制，同时也可以查看农田的实时数据、历史数据等监测情况。系统不仅可以将底层数据传输到远程服务器上，还可以将远程终端发出的指令传输给底层设备。即数据在各条通信链路上的传输都是双向的。底层数据传输到服务器之后，不仅远程PC可以得到数据，其他形式的移动终端可以得到。同样，不仅远程PC可以向底层设备发送指令，其他形式的移动终端也可以。系统总体结构如图1所示。
3 系统硬件设计与实现
系统硬件设计主要包括了现场无线传感网络设计和电磁阀驱动电路设计。现场监测和远程控制的实现，还需要对通信链路进行调试并根据通信协议编写控制指令。以下主要对监测部分硬件设计与实现进行阐述。
监测部分的硬件主要包括几部分：底层传感器、Zigbee模块、Zigbee、GPRS模块、上位机和直流电源等。设计的主要任务是：选择合适的传感器，Zigbee组网，Zigbee&GPRS模块与上位机的通信调试。系统选用 FDR法的土壤水分温度传感器，传感器检测出土壤温度和含水量，一端可以引出4根接线，红色和绿线接24V电源，黄色和蓝色为RS485接口，传感器通过此接口向Zigbee接口上传数据，通信协议采用Modbus RTU协议。Zigbee网络的组网过程：通过RS485接口Zigbee模块可下挂若干传感器。若干Zigbee模块在Zigbee&GPRS模块的协调下组成Zigbee网络，数据最终汇集到Zigbee&GPRS模块中。具体组网过程如图2所示。 4 系统软件设计与实现
系统软件设计主要包括：监控界面设计、控制策略的设计、模糊控制器的设计研究、组态王与MATLAB通信的实现研究。
监控界面的主要功能包括：实时查看现场采集的数据，用户通过界面向现场发送控制指令，灌溉异常时报警。监控界面的设计应遵循人性化，易操作的原则。系统软件的设计采用组态软件，组态软件是专门针对工业自动监测控制系统开发的工控软件，包含许多功能模块，可直接调用功能模块搭建完善的监控系统，不需复杂程序的编写，大大缩短了软件的开发周期并降低开发成本。本系统釆用亚控科技开发的组态王kingview6.55进行监控界面的设计。监控界面主要分以下几部分：首页（系统总体概况）、灌溉中心（灌溉形式的选择）、监测中心（查看所有节点的实时监测数据）、控制中心（实时控制任意电磁阀）、数据中心（查询实时数据、历史数据）、节点工作状态查询（实时显示节点的工作状态）、帮助。
系统控制策略的本质是如何实现自动控制电磁阀。传统灌溉中，人为以经验判断所需的灌溉水量，水量控制不准确，容易灌溉过量。本系使用闭环控制以准确的计算及数据为依据，保证了灌溉的准确度。闭环控制是以输入信号与反馈信号之差作为控制信号作用于执行机构，同时及时反馈新的执行结果，直到执行结果达到预期标准为止。
影响灌溉控制精度的因素有很多。例如：土壤湿度、蒸腾量。建立数学模型时需要以土壤温度和蒸腾量共同作为判断条件来建立数学模型，这样很难建立精确的数学模型。灌溉控制属于非线性控制。模糊控制是模糊数学与控制理论相结合的产物，它可以对难以建立精确数学模型的复杂对象实现有效控制，它采用“不精确推理”，使用语言变量，使控制过程易于介入人的经验，并且对过程参数的变化不敏感，所以非常适合处理非线性、时变及大滞后的控制问题。
组态王与MATLAB之间的通信可以通过COM组件技术或者DDE技术实现。组态王就可以不断地将采集到的土壤水分数据传送到MATLAB程序中，数据经过模糊控制器的处理后，MATLAB再将结果返回给组态王，完成整个控制。
5 结语
本文介绍了基于Zigbee和GPRS技术的精确灌溉系统的设计过程，在已有的技术基础上，为现代农业提供了一个可参考可实施的自动化灌溉方案，具备一定的应用价值。随着无线传感器网络技术的推广，精确灌溉技术将会在农业上得到更广泛的应用和发展。
Design of Remote Precision Irrigation System Based on Zigbee and GPRS
Yuan Lijuan， Wang Tao
（Department of Information Technology， Baoding University， Baoding 071000， China）
Abstract： With the fast economic development in China， agricultural production certainly will adopt various kinds of technology to increase production and save resources. This article adopts Zigbee and GPRS to design an accurate irrigation system. This system employs central monitor server to ensure accurate irrigation， remote management and mobility control， employs fuzzy control to irrigate crops， this method is simple and reliable， and is easy to achieve the goal of water saving and production increasing.
Key words： Zigbee； GPRS； accurate irrigation