基于ZigBee和GPRS智能监测的节水灌溉装置设计

李凌雁，李 鑫，曹世超

(邢台职业技术学院，河北 邢台 054000)



基于ZigBee和GPRS智能监测的节水灌溉装置设计

李凌雁，李 鑫，曹世超

(邢台职业技术学院，河北 邢台 054000)

为了提高农业用水的利用率，解决农业用水紧张问题，提出了一种基于分布式ZigBee和GPRS无线通信技术的大范围远程控制节水灌溉系统，实现了节水灌溉装置的远程监控和自动化调节。该系统以单片机作为控制器，将土壤湿度测试数据进行传输和保存，通过设定阈值来控制零压启动电磁阀实施灌溉操作，并采用无线传感网络和GPRS将采集的数据进行远程传输，实现了定时定量和精确化灌溉。对精细化滴灌系统的过滤器和湿度测试装置的智能监测性能进行了测试，结果表明：该系统可以有效地将过滤器压力和湿度随时间变化曲线传送到远程监控端，且实现了自动化过滤装置的反冲洗功能、滴灌喷头的自动化调节及滴灌的精细化作业。

滴灌喷头；智能监测；分布式；ZigBee

0 引言

我国是一个水资源严重短缺的国家，近年来北方和西南地区遭遇了几十年不遇的干旱天气，使全国的受旱面积多达数百万公顷，从而敲响了节约用水的警钟。农业用水是水资源消耗的主要因素之一，而采用高效、智能化灌溉技术可以大大节约水资源，不仅可以缓解水资源的紧张，还可以促进精细化农业的发展。随着无线通讯技术的发展和普及，无线传感网络ZigBee和GPRS技术已经日渐成熟。由于ZigBee成本低、功耗小和可靠性高，被广泛应用于短距离通信中;GPRS覆盖区域较大，基本可以覆盖所有人类居住的地方，且其维护成本较低、安装方便，可以实现远距离通信。因此，将ZigBee和GPRS技术应用到节能灌溉系统中，可以有效地提高灌溉装置的自动化程度，实现精细化灌溉。

1 节水灌溉系统装置和总体框架设计

在节水灌溉系统中，过滤器是重要的机械设备，是保证水从水源到喷头的关键。在进行过滤时，随着水源杂质的增多，在过滤网表面沉积后容易发生阻塞，因此需要采用监测设备对该过程进行实时监测，这就需要对普通的滴灌喷头进行改装。改装过程中，在过滤罐上安装液压传感器，结构如图1所示。

图1 液压传感器结构示意图

使用液压传感器可以随时监测过滤罐内的水压变化，当发生阻塞时，过滤罐内的水压会发生变化；该压力值由压力变送器通过PLC发给控制系统，当压力达到设定阈值时，由PLC控制电磁阀的通断，并可以经过反冲洗清通过滤网。

过滤驱动控制阀的控制原理如图2所示。在初始状态，启闭腔体内没有压力水，水流通过阀体，此时通水口1和2连通；如果系统出现阻塞情况，在控制器的控制下，有压力水通过驱动口流到阀体的启闭腔内，腔体内部的弹簧被顶起，当达到某种程度时，通水口1和2断开， 高压水通过反冲，将过滤网冲洗干净，从而避免过滤装置发生严重阻塞。

图3为本次使用湿度传感器，该传感器的工作量程为0～100%(m3/m3)。为了使其信息可以在远程监控终端显示，需要将其配置在无线网络内，整个无线网络是由分布式的传感网络子节点构成，每个节点包括电源、控制器、零压启动电磁阀、ZigBee无线网和土壤湿度传感器，如图4所示。

图2 过滤驱动控制阀

图3 湿度传感器

图4 网络子节点硬件组成结构示意图

该系统采用12V的蓄电池作为电源，使用单片机作为控制器，单片机通过土壤水分传感器采集土壤湿度，并将数据读取保存到存储器中。控制器通过控制零压启动电磁阀实施灌溉操作，并利用CC2430组成无线传感网络和GPRS DTU与无线网进行数据连接，将采集的网络传输到远程控制终端，实现定时定量和精确化灌溉。

分布式传感网络主要由网络节点、汇聚节点和互联网主控器组成，典型无线网络传感器主要包括分布式的无线网络传感器节点、汇聚节点及无线网，如图5所示。每个传感器节点都有一个较小的发射范围，然后将每一个子节点收集的数据传输到远程控制节点。

图5 分布式传感网络节点

2 节水灌溉分布式网络优化

为了优化节水灌溉无线网络的资源配置，引入了Apriori关联规则。假设I={i1,i2,i3,i4,i5}是所有无线网络节点集合，D为项目集合数据库，而每个局域网T是项目的集合，T被包含在I中。假设X是某些项目的结合，如果T中包含X，则称事务T包含X，其关联规则为：X包含在T⟹Y包含在T，表示X⟹Y，这里的⟹表示关联操作。其中，X表示关联规则假设条件，而Y表示关联规则的运行结果。

项目数据库D的关联规则X⟹Y是由支持度s和置信度c约束的。置信度表示关联规则的强度，支持度表示规则出现的频度。其中，支持度s(X)表示D中包含X的网络节点数量与D中总的网络节点数量之比，也就是D中包含X的数量。关联规则X⟹Y的支持度定义为：在D中包含X∪Y的节点所占比例s%，其置信度定义为在D中包含X的节点中有多大的可能也包含了Y。

最小支持度的阈值是表示无线网络节点在统计意义上的最低主要性，而最小置信度阈值则表示关联规则的最小可靠性。如果X满足X.support≥min support，则X表示较大的数据项。最小支持度和置信度的阈值可以由用户给定，当网络节点数据项集大于支持度和置信度时，则称为强关联规则，可以依此对网络进行设置；当关联规则小于置信度和支持度阈值时，则称为弱关联规则，需要摒弃这种网络设置方法；而关联规则的任务就是从数据库中发现置信度支持度比规定阈值更加强壮的规则。

在数据挖掘的关联规则算法中，Apriori算法是使用频率最高的算法，其他的关联规则算法一般都是基于Apriori研发的，这些算法的共同特性是频繁项目集和的任一子集也是频繁项目集。Apriori算法以不断对候选项进行增加的方式来逐步搜索最大的频繁项，从搜索第1频繁项到搜索第2频繁项，直到频繁项的长度不能增加为止。在每次的循环过程中，首先产生一个项目频繁集合Ck，然后利用支持度来搜索k频繁项目集Lk。其中，分布式传感器网络节点的频繁项集搜索主要步骤为：

1)通过连接(k-1)频繁网络节点，产生候选频繁集Ck(k>1)；

2)从Ck中去掉(k-1)中不属于Lk-1的网络节点项，即去掉包含非频繁项的候选集；

3)对网络节点数据库进行扫描，计算候选网络节点项目集的支持度，从而获得频繁项目集。

基于Apriori关联规则的无线网络优化在节水灌溉分布式传感网络中，其具体流程如图6所示。

图6 分布式传感网络优化流程

首先通过数据分析来设定网络优化最小支持度和最小置信度，然后利用关联规则对无线网络进行优化，使网络配置达到最优后，确定分布式网络。

3 分布式智能监测节水灌溉装置实验测试

由于灌溉水源的水质较为复杂，因此过滤器选择两级过滤器:第1级过滤器为砂石过滤器，将大的杂质滤除；第2级为网状过滤器，可以将小的杂质滤除，从而避免滴灌喷头的阻塞。

通过第1级过滤器将砂石滤除后，滴灌水中只剩下无机物杂质颗粒，经过网状过滤网后，将较小的颗粒滤除，通过智能监测可以得到过滤器的压力变化曲线。两级过滤器的实验测试图如图7所示。

图7 两级过滤器实验测试图

图8表示滴灌系统过滤器的压力监测曲线，该曲线由无线网络通过远程传输到达远程监控终端。由图8可以看出：在过滤器阻塞时，压力会突然增加，当超过一定阈值时，驱动控制阀会控制通水口断开，并进行反冲操作，从而避免过滤器的严重阻塞。

图8 过滤器压力监测曲线

图9表示滴灌湿度测试的实验示意图。在滴灌的喷头部位安装湿度传感器，可以对土壤的水分比重进行实时的测量，测试结果通过分布式网络传输到远程终端，如图10所示。

图9 土壤湿度滴灌测试示意图

图10 土壤湿度监测曲线

由图10可以看出：随着时间的推移，在两次滴灌时间间隔内，土壤的湿度先增加、后减小；当土壤湿度降低到一定值时，电控阀会控制滴灌喷头继续滴灌作业，以保持土壤湿度维持在一定值之内。

4 结论

依据ZigBee和GPRS无线通信技术，对精细化灌溉装置进行了优化设计，包括滴灌系统过滤器、滴灌系统喷头电磁控制阀等，并提出了一种全智能的节水灌溉装置远程监控和自动化调节系统，从而实现了滴灌的精细化操作，提高了农田灌溉的自动化作业水平。对过滤装置和滴灌喷头电磁阀的性能进行了测试，结果表明：利用智能滴灌控制系统可以有效地监测到过滤器阻塞信息，并能够利用反冲洗功能消除阻塞情况。滴灌喷头可以根据土壤的湿度进行自动化调节，并能够实时地输出湿度监测曲线，提高了灌溉系统的智能化水平，为现代农业灌溉装置的设计提供了技术参考。

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Abstract： In order to improve the utilization rate of agricultural water,solve agricultural problems of water shortage, it put forward a distributed ZigBee and GPRS wireless communication technology based on the large range remote control water saving irrigation system. It can realize theremote monitoring and automatic regulation of the water-saving irrigation device. The system took MCU as controller to realize the transmission and preservation of soil moisture testing data, control the zero voltage starting electromagnetic valve implementation of irrigation operation by setting a threshold. It will be collected by wireless sensor networks and GPRS data remote transmission, realize the timing quantitative and precise irrigation. It tested the last major intelligent monitoring performance of drip irrigation system for fine filter and humidity testing device.According to the test result, the system can effectively filter pressure and humidity along with the time change curve of transmission to the remote monitoring terminal. And it realized the automatic filter backwash functions and the automatic regulation of the drip nozzle, the drip irrigation of the fine operation.

ID:1003-188X(2017)08-0212-EA

Design for Water-saving Irrigation Device of Intelligent Monitoring Based on ZigBee and GPRS

Li Lingyan, Li Xin, Cao Shichao

(Xingtai Polytechnic College, Xingtai 054000, China)

drip nozzle; intelligent monitoring; distributed; ZigBee

2016-05-05

国家自然科学基金青年基金项目(51305152)

李凌雁(1981-)，女，西安人，工程师，(E-mail)llyan81@sina.cn。

S275

A

1003-188X(2017)08-0212-04