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基于ZigBee技术和GSM网络的精确灌溉系统研究
一、引言
在水资源紧张的情况下，如何高效地利用水资源成为当前亟待解决的问题。农业水利灌溉是全球重要的水资源利用领域之一，精确灌溉系统能够根据作物需要进行准确浇灌，从而实现节水、高效种植等目标。近年来，随着无线传感器网络技术(ZigBee技术)和GSM网络的发展，基于它们的精确灌溉系统也随之发展起来，本文主要就这种灌溉系统进行探讨研究。
二、精确灌溉系统的发展历程
在传统灌溉方式下，灌溉水源的供给和浇灌接口的浇水品质显得极其不均匀。长时间的一侧浇水，使得土质变得紧实，而另一侧的土质则因为过度浇水而松散，导致水和肥料的流失。此外，由于传统的灌溉方式只能满足大面积的浇水，无法满足作物独特的、局部的生长要求。受到这些问题的制约，精确灌溉系统逐渐兴起。
最早的精确灌溉系统是基于传统的定时控制浇水，即根据一定的时间间隔对底部的土壤进行一定的滋水，但这种方式非常浪费水资源。2003年，美国西南喀斯喀特水资源与能源中心开始使用传感器实时监控土壤湿度，为不同区域的农作物提供定点滋水。后来，随着传感器技术的不断发展，精确测量、适时灌溉的精确灌溉系统在全球范围内逐渐逐步被广泛采用。
三、技术方案设计
精确灌溉系统的核心是传感器技术，通过这些传感器可以对土壤湿度、水质、温度、空气湿度等元素进行快速检测，有效地为灌溉系统提供最优水平控制和监测。如何对这些传感器实现无线通信，ZigBee通信技术提供了一个完整而方便的解决方案。本文的基于ZigBee技术和GSM网络的精确灌溉系统方案如下：
1.硬件设计方案
硬件设计方案主要包括：智能传感器、ZigBee通信模块、基站节点、GSM模块
a)智能传感器：主要用于对空气的温度、湿度等基本元素进行计量，并反馈至中央控制节点，以发出相应的指令，从而进行定点水量的控制。
b)ZigBee通信模块：该模块将智能传感器中的数据传输至基站节点，同时也接收来自基站节点的指令进行相应的响应。
c)基站节点：用于接收智能传感器的数据，通过之前已经建立好的规律，服务于各个传感器之间的通信；同时，也作为简单控制器坐标，实现定量进行整个灌区的重要性管理。
d)GSM模块：用于对监控得到的灌溉信息实时上传至云端进行数据分析，通过APP平台实现动态监测，开始的实时数据分析和预测。
2.软件设计方案
软件设计方案主要包括：传感器芯片驱动程序、数据传输协议、基站节点的控制程序、GSM模块的接口程序、APP平台设计。
a)传感器芯片驱动程序：主要对芯片进行调试，使芯片能够顺利地工作，获得合适的输出信号。
b)数据传输协议：建立在ZigBee协议之上，实现整个系统中传感器节点与基站节点之间的数据传输和加密认证；
c)基站节点的控制程序：通过数据传输协议获取到相关的信息数据后，进行处理并响应传感器节点，实现统一的控制程序；
d)GSM模块的接口程序：对通过传感器上传的数据进行处理之后，通过已有的GSM网络自动进行上传;
e)APP平台设计：监测得到的灌溉信息实时上传至云端，通过APP平台实现动态监测，开始的实时数据分析和预测，及时反馈到灌溉控制系统的控制器中，为灌溉过程提供进一步的优化。
四、系统示意图
基于ZigBee技术和GSM网络的精确灌溉系统架构示意图如下图所示：
（图）基于ZigBee技术和GSM网络的精确灌溉系统架构示意图
五、结论
本文简述了精确灌溉系统的发展历程，探讨了一种基于ZigBee技术和GSM网络的精确灌溉系统方案，提出了硬件设计和软件设计方案，并通过系统示意图描述，可以发现，该系统架构结构合理，易于实现。该系统可以实现针对性的控制，满足作物生长的不同需求。在实际应用中可以起到优化灌溉、节水和保护土壤的效果，是一种高效、可靠的准确定量灌溉系统。