农田土壤水分监测与控制系统的设计

孙齐岳

山东农业工程学院，山东 济南 250100

摘要：随着我国物联网及其他相关技术的飞速发展，物联网技术应用于现代农业已是大势所趋。本文设计了农田土壤水分监测与控制系统，通过采集土壤水分数据，结合系统设置的阈值控制继电器的打开和关闭，实现水泵的智能控制，以降低灌溉成本，减少农民工作量。

关键词：土壤水分；Zigbee；传感器；实时监测

1 引言

土壤水分情况是农业生产的灵魂，土壤水分监测是农业技术推广中起到的基本性、公益性的作用，在保证国家粮食绿色健康、促进农业节约用水等方面发挥着重大作用。以前，我国传统的土壤水分监测，普遍的依靠农民或技术人员到现场进行实地调查，每个农田都设立有多个监测点，但是人工监测还是有很多不足：比如花费时间长，不能及时掌握有关的情况，并且需要借助经验揣摩和摸索，以至于得到的结果不够科学。尤其是遇到洪涝、冰雹等重大气象灾害，常常因为预估不当，导致无法及时采取相应的措施^[1]。现在，土壤水分监测不仅是提高用水有效性的新技术，并且是实现规范用水和循环用水的不可或缺的环节。为避免干旱，提高农业健康可持续发展的前提就是要做好土壤水分监测，这也是发展节水、建设农业的战略性环节^[2]。

本文设计了适合农田土壤水分的监测与控制系统，通过土壤水分监测的大力开展，特别是在农作物关键的耕作时间和生长重要时期的监测，然后通过监测，将作物用水量和水资源状况相结合，制定出科学良好标准的灌溉措施，为避免干旱和合理有效灌溉提供了科学依据。

2 系统相关技术与总体设计

2.1 相关技术

（1）ZigBee

ZigBee^[3]是专门服务于无线传感器网络的，简单的、可以依赖、功耗低的全球无线公共标准，使得远程监测和控制应用得到近乎完美的需求。具有以下几个优点：功耗低，成本低，时延短，网络容量大，可靠性强，安全性高^[4]。

（2）Wi-Fi

Wi-Fi是一种简单的短程无线通信技术，其速度最高就可以达到11Mb/s，Wi-Fi技术基本上都会使用2.4G UHF或5G SHF ISM的射频频段，并且允许计算机或其他的设备连入WLAN^[5]。Wi-Fi还能够利用无线的方式把电脑或智能手机相互连接起来。Wi-Fi虽然数据安全性不是很高，但是传输速度快，可以不受条件的限制。

2.2 系统需求分析

农田土壤水分监测与控制系统主要通过收集土壤水分信息，对农作物的旱情进行监测，及时有效的提供预警信号，指导农民进行土壤灌溉。系统主要分为终端节点、协调器节点、Wi-Fi模块、移动端APP显示四个部分。

终端节点主要利用其模块上的土壤湿度传感器对土壤湿度进行监测，然后采集到的数据能在显示屏上显示，最后将数据通过ZigBee网络传输给协调器节点。

协调器节点接收到终端节点发送来的土壤水分数据后，可以显示并根据设定的土壤水分阈值，控制继电器的打开或者关闭，然后可以采用串口通信发送给Wi-Fi模块，通过Wi-Fi模块将数据传输给手机。

Wi-Fi模块主要将ZigBee终端节点采集的土壤水分数据通过Wi-Fi网关，将数据传输给手机端APP，在手机端进行查看和控制，或者与PC机进行TCP连接，将接收到的数据通过串口调试助手查看。

移动端APP可显示数据并远程控制。

2.3 系统总体设计

系统的架构主要分为物联网感知层、传输层、应用层三层结构。感知层主要包括协调器节点的土壤水分传感器等，实现对土壤状态的信息进行采集，还包括继电器与水泵，实现灌溉；传输层主要包括数据传输协议等，实现数据的可靠和安全传输；应用层为农田土壤水分监测与控制系统前端的信息展示，用户可进入手机端，以实现对本系统采集数据的查询和管理。

3 系统硬件设计

系统可以划分为终端节点、协调器节点、Wi-Fi模块以及PC端和手机APP共四部分。终端节点包括土壤湿度传感器，利用传感器采集土壤中的水分值，在显示屏上显示数据，然后通过ZigBee网络传输给协调器，协调器将数据发送Wi-Fi模块，Wi-Fi模块就会与手机端和PC端建立联系，将接收到的数据发送给PC端和手机端，PC端利用串口通信助手会即时看到数据变化，手机端也会实时观测到数据并可以控制继电器的开关，从而控制水泵的启动和停止，实现对农田土壤进行实时自动灌溉效果，进一步达到远程灌溉的目的。

3.1 终端节点模块

终端节点采用CC2530作为核心芯片，包括电源模块、串口模块、显示模块、传感器模块。

3.2 协调器节点模块

协调器是整个控制系统和网络的中心，也是ZigBee网络整体的核心，它具有组建网络、接收数据、对进行数据处理和显示、控制是否灌溉的功能。协调器节点硬件构成与终端节点大体上类似，只是增加了复位模块和控制模块，复位模块与RESET引脚相连，保证CC2530稳定工作。其结构图如图1所示。

图1 协调器节点结构图

4 系统软件设计

本文设计的控制程序必须确保硬件的控制可以执行相应的功能，但还必须确保硬件操作的稳定性，以确保整个系统的安全稳定运行。本文开发的软件程序包括主程序设计、Wi-Fi模块程序设计、协调器节点程序设计、终端节点程序设计、水泵控制程序设计、传感器驱动程序设计。最重要的是对协调器节点进行编程，对Wi-Fi模块进行编程以及对终端节点进行编程。终端节点程序的功能是收集农田中的土壤水分，Wi-Fi模块程序的主要功能是将控制指令发送到终端节点并通过网络进行对继电器控制，以实现本文所需的自动灌溉，协调器节点设计负责构建网络和接收数据，数据处理和实时显示，浇水决策并发送浇水指令。实现对系统中各硬件部分的控制，主程序流程如图2所示。

图2 主程序流程图

4.1 终端节点软件设计

Wi-Fi模块程序的主要功能是将控制指令发送到终端节点并通过网络进行对继电器控制，以实现本文所需的自动灌溉，协调器节点设计负责构建网络和接收数据，数据处理和实时显示，浇水决策并发送浇水指令。

4.2 协调器节点软件设计

协调器节点先对串口进行初始化，在判断网络参数是否正确，若正确，则进行系统初始化，若不对，在等待命令重新对串口初始化；接下来建立zigbee网络并加入其他节点，并接收数据，对数据进行判断。

4.3 Wi-Fi模块软件设计

Wi-Fi模块旨在在Wi-Fi和ZigBee网络之间进行转换。先对串口进行设置，确认参数设置后，发现Wi-Fi网络并正常连接后，创建用户数据报协议端口并连接到TCP服务器，把从协调器上的数据传给PC端和手机端。

4.4 移动端APP软件设计

数据的查看不仅可以通过PC端实现，也可以采用手机APP实现。正是由于智能手机的普遍使用，使得手机移动端更加便捷，用户可随时随地打开APP进行查询和控制。在手机APP界面会显示端口号、土壤的湿度值和收到的报警次数，手机界面可以自己设计，有开启和关闭按钮，进行对水泵的启停。

5 系统测试与实现

该测试使用串行端口工具将便携式计算机连接到ZigBee协调器节点和终端节点，以观察数据传输和信息收集。主要是对土壤水分进行测试，以确保随后的现场测试顺利进行。

协调器节点和终端节点模块中带有液晶显示屏，测试时土壤用水来代替，将土壤湿度传感器放入到水中，可通过显示屏实时查看土壤湿度数据的传输情况，当湿度高于设定的值的时候，继电器不起作用；但当湿度低于设定值时，协调器控制继电器打开，让水泵工作。

6 结束语

本文是基于农业物联网的土壤水分监测与控制系统，其主要目的是提供预警和控制，以实现农田土壤水分的自动灌溉。由于采用了IoT设计的思想，整个系统分为感知层、传输层和应用层，减少了不同服务之间的耦合并提高了系统的可靠性。并利用Android studio设计手机端的页面进行数据展示和远程控制。

参考文献

1. 刘海燕,国剑虹,于凤丽,郝艳杰,周丹.梨树县土壤墒情监测工作现状及

效果[J].现代农业科技,2013(15):250.

2. 吴金亮,单丽佳.土壤墒情监测方法综述[J].农业科技与装备,2014(06):65-68.

3. 于莹莹.无线传感ZigBee技术在物联网中的应用[J].无线互联科

技,2021,18(06):12-13.

4. 张海明,蒋幸昌.ZigBee技术在智能小区中的应用[J].智能建筑与城

市信息,2013(02):58-60.

5. 董立志.农业物联网数据监测系统中间件技术的研究与应用[D].银川:

北方民族大学,2017.

基金项目：2019省级大学生创新训练项目：无线粮仓环境参数监测器的设计制作与示范应用，项目编号：S201914439006