基于 ZigBee 校園智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

引 言

我國水資源浪費情況嚴(yán)重，尤其校園中更明顯，在校園建設(shè)上節(jié)約用水的想法層出不窮。校園綠地灌溉不可或缺， 既可讓植物正常生長，還能夠使學(xué)生感受到大自然的美好。但是傳統(tǒng)的灌溉方式不夠科學(xué)，已不能滿足現(xiàn)代灌溉的需求， 且花費了太多的人力、物力。

本文提出一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，目的是監(jiān)測植物的生長情況和土壤墑情。該項技術(shù)在 ZigBee 智能無線傳感器的基礎(chǔ)上開發(fā)，主要用來實現(xiàn)校園自動化灌溉。系統(tǒng)采用 ZigBee 無線核心技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)終端自動控制以及節(jié)水灌溉技術(shù)，通過前期對校園土壤情況的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，使節(jié)水灌溉變得自動化。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計

本文系統(tǒng)的原理就是在 ZigBee 的基礎(chǔ)上對室外環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測與統(tǒng)計分析，并進(jìn)行改善。當(dāng)然，除了核心技術(shù)和各類相關(guān)的傳感技術(shù)，該系統(tǒng)還可與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，直接實現(xiàn)室外監(jiān)測、室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上操作。本文系統(tǒng)主要監(jiān)測室外溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，將其用于評判該環(huán)境情況是否能夠適應(yīng)植物的正常生長，各類相關(guān)傳感器持續(xù)不斷地將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠙C(jī)位，并進(jìn)行統(tǒng)計分析處理，再將所得數(shù)據(jù)結(jié)果展現(xiàn)給使用者，人們可直接根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果對灌溉進(jìn)行合理調(diào)控。

在大型的花園種植地，傳感器終端直接與水泵連接，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)由傳感器傳輸后，終端根據(jù)所監(jiān)測到的實時溫度、濕度情況以及光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)反饋，就可智能地根據(jù)戶外數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果直接下達(dá)命令，對水泵的開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)總體框架如圖 1 所示。

圖 1 系統(tǒng)總體框架

2 無線通信技術(shù)

無線通信是任意空間中電磁波的傳播性質(zhì)進(jìn)行所帶數(shù)據(jù)信息交換的一類通信方式。各類無線通信技術(shù)特點見表 1 所列。

3 ZigBee 技術(shù)介紹

3.1 ZigBee技術(shù)及特點

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展和人們生活質(zhì)量的不斷提高， 無線通信技術(shù)已經(jīng)開始逐步融入到人們的生活中，無論是工業(yè)生產(chǎn)還是日常生活都有應(yīng)用，工業(yè)上可用來對自動化儀器進(jìn)行監(jiān)控，生活中可用來對家中的實時情況進(jìn)行監(jiān)測。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有非常大的發(fā)展?jié)摿Γ渲?，ZigBee 相對于其他無線電更為特殊，不僅具有雙向無線通信特性，還具有其他特點，如功耗較低，使用成本低，較為簡單，適合短距離使用等。ZigBee 技術(shù)特點見表 2 所列。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee設(shè) 備 一 般 分 為 路 由 器（Router）、 協(xié) 調(diào) 器（Coordinator）和終端設(shè)備（End-Device）三種類型。路由器的作用是對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪選與轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)上組織協(xié)調(diào)的管理者，可對其他路由和節(jié)點進(jìn)行管理。終端設(shè)備就是人們讀取信息的設(shè)備主機(jī)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可分為樹形、星型及網(wǎng)狀三種類型。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 示。

4 Web 技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及的相關(guān)技術(shù)較多，如網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)、多媒體技術(shù)及圖形或圖像處理技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)檢測平臺主要使用網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)中能夠?qū)崿F(xiàn)任何時間對室外環(huán)境情況進(jìn)行監(jiān)測并記錄下數(shù)據(jù)的技術(shù)，當(dāng)然還要滿足對室外設(shè)備的自身情況進(jìn)行監(jiān)測與控制。

5 傳感器技術(shù)

傳感器是可采集數(shù)據(jù)信息并將所采集到的物理、化學(xué)、生物等非電學(xué)量信息轉(zhuǎn)換為電學(xué)量信息的元器件。傳感器技術(shù)就是在物理、化學(xué)、生物等相關(guān)領(lǐng)域中利用一些恰當(dāng)?shù)脑?/span>理或定理所研究發(fā)明的工程設(shè)備。隨著科技的發(fā)展，人們對工業(yè)生產(chǎn)自動化的要求不斷上升，對更加完善的傳感器也有了新的需求，傳感器需要具有更加寬廣的檢測范圍、更加精確細(xì)致的測量、更加高速的反應(yīng)等。不僅在具有人工智能特性的節(jié)水灌溉中使用到了各式各樣的傳感器技術(shù)，人們生活的其他各方面也都與傳感器技術(shù)息息相關(guān)。

6 檢驗測試

根據(jù)系統(tǒng)方案進(jìn)行樣機(jī)調(diào)試，以 ZigBee 技術(shù)為核心搭建智能控制平臺。通過上位機(jī)對 ZigBee 模塊發(fā)送指令數(shù)據(jù)，在不同傳感器的配合下，使其自動監(jiān)測并作出相應(yīng)應(yīng)答反饋。樣機(jī)調(diào)試檢測如圖 3 所示。

7 結(jié) 語

本文首先對以 ZigBee 為基礎(chǔ)的室外環(huán)境溫度和濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)整，控制系統(tǒng)的整個流程，對整體方案進(jìn)行了簡單闡釋，對方案中需要應(yīng)用到的各項主要技術(shù)進(jìn)行了解釋，如 ZigBee 核心技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑敿?xì)結(jié)構(gòu)和各式各樣的傳感器技術(shù)。方案還以更加寬廣的監(jiān)測范圍、更加精確細(xì)致的測量、更加高速的反應(yīng)等更高的要求作為設(shè)計目標(biāo)， 采用 ZigBee 組網(wǎng)技術(shù)作為室外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要支持技術(shù)。