CN203416688U - 基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备 - Google Patents

基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备 Download PDF

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Abstract

本实用新型属于农业自动灌溉技术领域，具体是基于ZigBee传输技术的果园自动滴灌自动控制设备，其特征在于灌区内以行、列布局有主干管及支管，一根主干管上设有若干列支管，每一列支管上等间距设有若干孔口或滴头，并在每一列支管的列头处设有一个电磁阀，所述每一列支管的侧旁还等间距设有一列传感器，所述电磁阀与传感器由ZigBee终端节点装置控制连接，所述ZigBee终端节点装置通过ZigBee通信网络连接ZigBee协调器，所述ZigBee协调器通过无线网络连接监控装置，所述监控装置通过网络连接天气信息及专家***。本实用新型能够根据不同的植物种类、实时环境信息，制定匹配滴灌方案，实现滴灌管理的自动化、精确化，无需复杂布线，组网简单，功耗低，成本低，安装维护方便。

Description

基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备
[技术领域]
本实用新型属于农业自动灌溉技术领域，涉及一种基于ZigBee传输技术的果园自动滴灌自动控制设备。 
[背景技术]
我国是一个水资源缺乏的国家，而且我国的水资源的分布很不平衡。我国的农业用水量约占总用水量的75%，主要消耗于灌溉，但是农业灌溉用水的利用率普遍低下。 
自滴灌技术引进国内以来，在我国尤其是缺水的西北部地区得到了重视，获得了广泛的应用。然而在使用此类灌溉技术的同时，仍存在一些问题：长期以来，我国的农业滴灌***大多靠人工经验控制，并没有进行实时数据的采集、分析与决策，灌溉的随意性较大，节水率并不是很高。即使有部分滴灌***采用了自动化或者计算机控制，却由于现场布线不便，成本较高、耗时较长，拆卸与安装不便等种种问题难以在实际的农业生产中得到足够的重视。 
因此，灌溉***自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。 
[发明内容]
本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的缺陷，提供一种基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备，利用ZigBee传输技术实现无线组网功能，省去园间复杂的布线操作；同时在园间使用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，并将信息无线传给控制中心，从而减少人力，提高灌溉的效率，节约水资源。 
其中ZigBee传输技术，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，根据这个协议而制定的一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。 
为实现上述目的，设计一种基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备，包括灌区、主干管、若干支管、ZigBee终端节点装置、传感器、电磁阀、ZigBee协调器及监控装置，其特征在于灌区内以行、列布局有主干管及支管，一根主干管上设有若干列支管，每一列支管 上等间距设有若干孔口或滴头，并在每一列支管的列头处设有一个电磁阀，所述每一列支管的侧旁还等间距设有一列传感器，所述电磁阀与传感器由ZigBee终端节点装置控制连接，所述ZigBee终端节点装置通过ZigBee通信网络连接ZigBee协调器，所述ZigBee协调器通过无线网络连接监控装置。 
所述传感器为温度和湿度传感器、土壤水分传感器和光照传感器。 
所述传感器间的间距为60-75m。 
所述ZigBee终端节点装置内设有中央处理器以及由中央处理器控制连接的无线射频发射模块，每一列的ZigBee终端节点装置将采集到的数据经由无线网络传给控制中心的监控装置，即ZigBee终端节点装置通过所述中央处理器连接传感器数据串口，获取传感器采集数据；中央处理器通过所述无线射频发射模块无线连接ZigBee协调装置，并经由ZigBee协调装置内设的无线射频发射模块无线传输采集数据至监控装置。 
所述ZigBee终端节点装置内还设有由中央处理器控制连接的电磁阀执行控制装置和无线射频接收模块，所述电磁阀执行控制装置由继电器控制电路构成，所述继电器控制电路连接控制电磁阀，监控中心接收到采集数据后，将每一列接收到的采集数据求平均并结合天气信息和专家***，作出相应的分析处理后并对灌溉参数进行设置，并相应的作出控制命令，包括确定每一列是否需要打开电磁阀门进行灌水，以及每次灌水的时间等，并通过无线网络经由ZigBee协调装置无线传输控制ZigBee终端节点装置内的中央处理器，终端节点的中央处理器会将接收到的控制命令传输给电磁阀执行控制装置，继而通过电磁阀执行控制装置控制电磁阀开或关。控制命令通过无线传感网络，传输给带有电池阀门的终端节点，从而对电磁阀门作出相应的开与关的操作。 
所述ZigBee终端节点装置内还设有供电模块，所述供电模块选用电池供电模块或太阳能供电模块，所述供电模块电力输出端分别连接中央处理器、传感器、电磁阀执行控制装置以及无线射频接收/发射模块。 
所述的监控装置选用PC主机。 
所述的无线网络选用以太网或WIFI或GPRS。 
与现有技术相比，本实用新型能够根据不同的植物种类，实时的环境信息，制定出与作 物生长相匹配的滴灌方案，解决当前一般滴灌***精确度低，人为失误，适应性不强等问题，实现滴灌管理的自动化、精确化。同时本***不需要复杂的布线操作，组网简单，具有功耗低，成本低，安装与维护操作方便的特点。 
[附图说明]
图1为本实用新型的整体结构示意图； 
图2为实用新型ZigBee终端节点装置的结构框图； 
图3实用新型果园灌区的设计图。 
[具体实施方式]
现结合附图及具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步阐述，相信该套自动浇灌设备对本领域技术人员来说是清楚的、可以实现的。 
本实用新型的滴灌自动控制机理如图1所示，分为三层，安置在控制中心的上位PC监控计算机，作为监控装置，以及部署在果园间的远程控制终端（即ZigBee协调器）和广泛分布的ZigBee终端节点装置，它们之间通过通信网络（包括Internet，WLAN，GPRS等）集中控制，然后通过计算机接口连到控制室，由中央计算机同一管理，室外的温湿度等传感器把采集数据传输入上位PC监控计算机，并进行灌溉参数设置，及对灌溉情况进行统计，并可通过专用管理软件了解现场各测控终端的状态，并在上位PC监控计算机上存储、显示数据和图标。或者通过人工特殊操作。中央监控计算机内置有专家***，可对灌溉管理进行指导，同时通过互联网获取天气信息，有预见性地实施灌溉。其中： 
a.上位PC监控计算机，作为监控装置主要负责将传感器传来的测量数据进行存储，并且与天气信息和专家***进行分析处理，并传达相应的控制操作信息，它通过现有通信网络（如Internet，WLAN，GPRS等）与布置在园间的远程控制终端连接； 
b.ZigBee协调器，作为远程控制终端，主要任务有两个:①负责组织ZigBee无线网络,即自动搜寻网络中的终端节点，及ZigBee网络的建立与维护；②从终端机节点取得PC主机需要的数据，实现终端节点与上位PC监控计算机之间的通信；③远程控制终端负责将控制命令转发都园间滴灌控制网络中，同时将反馈数据发送至控制中心。 
c.分布在园间的多个嵌入式ZigBee终端节点装置组成，每个ZigBee终端节点装置管理一片区域，每个ZigBee终端节点装置都具备ZigBee通信功能，开机后自动加入网络，园间终端节点装置直接与电磁阀门和传感器连接，并根据控制中心的指令操作电磁阀和传感器，实现了电磁阀开关控制、电磁阀状态判断和***状态数据上报等功能。当终端节点直接与电磁阀门和传感器连接时，用于检测环境信息，同时可以控制滴灌管道的开与关，也可以显示电池阀门的状态；当终端节点装置只与传感器连接，用来获取相关的环境传感信息。 
将ZigBee传输技术应用到果园的滴灌自动控制设备，如图3所示，首先，在灌区内以行、列布局有主干管及支管，一根主干管上设有若干列支管，每一列支管上等间距设有若干孔口或滴头，并在每一列支管的列头处设有一个电磁阀，所述每一列支管的侧旁每隔60-75m设有一列传感器，所述电磁阀与传感器由ZigBee终端节点装置控制连接，所述ZigBee终端节点装置通过ZigBee通信网络连接ZigBee协调器，所述ZigBee协调器通过无线网络连接监控装置，所述监控装置通过网络连接天气信息及专家***。由于灌溉现场的环境信息变化比较缓慢，因此传感器节点的数据采集采用定时休眠发送数据的方式，这样只有在一定周期时间后才会进行数据的采集和发送，其他的时间都处于休眠状态。 
所选用的传感器为温度和湿度传感器、土壤水分传感器和光照传感器三种，可分别得到室外的温湿度等采集结果，每一列的各个ZigBee终端节点装置将采集到的数据经由无线网络传给监控装置，监控装置会将每一列接收到的数据求平均，然后再结合天气信息和专家***，作出相应的分析处理，从而确定每一列是否需要打开电磁阀门进行灌水，以及每次灌水的时间。 
本ZigBee终端节点装置内，如图2所示，设有中央处理器以及由中央处理器控制连接的无线射频发射模块，电磁阀执行控制装置、无线射频接收模块以及供电模块，其中 
a.ZigBee终端节点装置通过所述中央处理器连接传感器数据串口，获取传感器采集数据；中央处理器通过所述无线射频发射模块无线连接ZigBee协调装置，并经由ZigBee协调装置内设的无线射频发射模块无线传输采集数据至监控装置。 
b.所述电磁阀执行控制装置由继电器控制电路构成，所述继电器控制电路连接控制电磁阀，监控装置通过无线网络经由ZigBee协调装置无线控制ZigBee终端节点装置内的中央处理器，中央处理器继而通过电磁阀执行控制装置控制电磁阀开或关。 
c.供电模块选用电池供电模块，所述供电模块电力输出端分别连接中央处理器、传感器、电磁阀执行控制装置以及无线射频接收/发射模块。由于传感器数目非常庞大，通常不能采用可重复利用的电池提供能量；能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期，因此这里还可以采用太阳能供电***，保证能量的充足。 

Claims (8)

1.一种基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备，包括灌区、主干管、若干支管、ZigBee终端节点装置、传感器、电磁阀、ZigBee协调器及监控装置，其特征在于灌区内以行、列布局有主干管及支管，一根主干管上设有若干列支管，每一列支管上等间距设有若干孔口或滴头，并在每一列支管的列头处设有一个电磁阀，所述每一列支管的侧旁还等间距设有一列传感器，所述电磁阀与传感器由ZigBee终端节点装置控制连接，所述ZigBee终端节点装置通过ZigBee通信网络连接ZigBee协调器，所述ZigBee协调器通过无线网络连接监控装置。 
2.如权利要求1所述的一种基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备，其特征在于所述传感器为温度和湿度传感器、土壤水分传感器和光照传感器。 
3.如权利要求1所述的一种基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备，其特征在于所述传感器间的间距为60-75m。 
4.如权利要求1所述的一种基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备，其特征在于所述ZigBee终端节点装置内设有中央处理器以及由中央处理器控制连接的无线射频发射模块，ZigBee终端节点装置通过所述中央处理器连接传感器数据串口，获取传感器采集数据；中央处理器通过所述无线射频发射模块无线连接ZigBee协调装置，并经由ZigBee协调装置内设的无线射频发射模块无线传输采集数据至监控装置。 
5.如权利要求4所述的一种基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备，其特征在于所述ZigBee终端节点装置内还设有由中央处理器控制连接的电磁阀执行控制装置和无线射频接收模块，所述电磁阀执行控制装置由继电器控制电路构成，所述继电器控制电路连接控制电磁阀，监控装置通过无线网络经由ZigBee协调装置无线控制ZigBee终端节点装置内的中央处理器，中央处理器继而通过电磁阀执行控制装置控制电磁阀开或关。 
6.如权利要求4或5所述的一种基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备，其特征在于所述ZigBee终端节点装置内还设有供电模块，所述供电模块选用电池供电模块或太阳能供电模块，所述供电模块电力输出端分别连接中央处理器、传感器、电磁阀执行控制装置以及无线射频接收/发射模块。 
7.如权利要求1或4所述的一种基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备，其特征在于所述的监控装置选用PC监控计算机。 
8.如权利要求1或4或5所述的一种基于ZigBee传输技术的果园滴灌自动控制设备，其特征在于所述的无线网络选用以太网或WIFI或GPRS。 
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