摘 要： 為提高農業灌溉效率，保障農作物正常生長，設計了穩定可行、易于安裝的、以物聯網技術為基礎的農田灌溉系統。系統以 MSP430 F149 低功耗單片機與射頻模塊為基礎，使用基于無線技術 ZigBee 的 CC2530 芯片作為網絡連接點，采用 RHD - 100 土壤水分傳感器采集農業土壤含水率信息； 通過無線技術 ZigBee 與無線通信 GPRS 無縫連接，將土壤水分數據通過 JN5121 通信模塊傳輸到無線網絡，實現了土壤水分數據信息傳輸和智能灌溉。將系統運用于不同農田環境進行測試，結果發現： 系統數據傳輸穩定可靠，運行平穩，可進行推廣運用。
關鍵詞： 物聯網； 土壤墑情； ZigBee; 傳感器。
0 引言。
隨著現代數據傳輸技術（ 如藍牙、紅外線、WiFi、無線網絡技術（ 如 ZigBee、GPRS） 、信息處理技術（ 如云計算技術等） 的發展，農業生產在機械化的基礎上正在朝著自動化、智能化的方向推進。
土壤水分反映了農業干旱程度，以土壤水分為指標，可以指導農業灌溉。土壤的含水狀況俗稱土壤墑情，還包括土壤性質、深度等狀態，其關系到農作物的優質生長。不能及時、足量灌溉，或過量灌溉，都可能導致農作物根莖不能從土壤及時吸收水分，影響農作物的正常生長。另一方面，從農業節水、節能及可持續性發展角度考慮，在灌溉作業中，要實現農業灌溉水資源高效利用，必須實時、精確地掌握農田土壤水分信息，準確地控制灌溉開始時機、結束時機及水量，從而實現節水、節能和作物的良好生長雙重目標。
作為農業大國，我國的農業用水量消耗了 80% 的水資源總量[1],研究開發土壤含水率自動監測和智能控制的灌溉系統，有助于作物良好生長條件的建立和水資源的節約。近年來，國內外研發出土壤水分檢測器，利用無線傳感器采集農業數據信息，實時監測土壤含水率的數據。當土壤含水率數值低于閾值下限時，開啟水泵進行灌溉； 當土壤含水率數值高于閾值上限時，關閉水泵以停止灌溉，實現了物聯網模式下的農業土壤水分智能控制。
然而，受制于傳感器等硬件及通信模塊等軟件系統的發展，現有的農業物聯網運用范圍還很小，普及率較低。目前，物聯網傳感器一般體積較大、不便于攜帶與安裝、能耗高、價格貴、響應速度慢、精度低及數據傳輸不穩定。同時，作為土壤水分傳感器，還需要具備受土質影響小及不易受到土壤中各種成分腐蝕等特點。
1 系統的組成及原理。
系統主要包括硬件部分，如 RHD - 100 土壤水分傳感器、射頻識別芯片 CC2530、MSP430 F149 單片機、步進電機，以及上位機系統軟件等部分。
系統可以實時檢測土壤水分，檢測數據由傳感器采集并通過 GPRS 作為通信渠道發送，采用 SPS 控制傳感器的采樣時間，每 1. 7s 發送 1 次傳感器數據信息。在一個設定的時間斷內，傳感器可自動繪制土壤水分曲線，土壤水分低于閾值下限時，控制終端發送指令，單片機接到指令，通過 I/O 口控制電磁閥開關開啟步進電機； 高于閾值上限時，及時關閉電機，所用數據信息和指令通過無線技術 ZigBee 進行傳輸。
2 硬件實現方案。
2. 1 處理器的選擇。
單片機具有高集成度、高可靠性、低功耗、控制能力強、擴展能力好、體積小巧、高性價比和使用便利等優點，在儀器儀表、專用設備智能化管理及過程控制等領域得到廣泛應用，有效地控制了產品質量，提高了經濟效益。
TI 公司設計的 MSP430F149 因其極低的空閑功耗而聞名，是一個 16 位的、結合了指令和數據總線的馮諾依曼系統結構。MSP430F149 具有 60kB 的非易失性存儲器，系統內可編程，還具備一個 2 kB 的內部SRAM.該處理器可以在 1. 8 ~ 3. 6V 之間進行操作，并且可以被鎖定在 1. 8V、8MHz 兆赫和 3. 6V、高達4 . 15 MHz 的范圍之間。 本系統中，處理器電壓為1. 8V,于 32. 76kHz 時鎖定，每個樣品的平均周期數為988,意味著處理器每秒 197. 600 次活躍； 功率測量顯示共 耗 電 204μW,功 率 測 量 值 只 有 32. 768kHz.MSP430F149 具有通信高速、開發環境方便高效、較寬的運行溫度范圍及較強的抗干擾力，工作穩定，時鐘系統靈活，具有可串行在線編程、喚醒時間較短及中斷 功 能 強 大 等 優 勢。 本 設 計 以 TI 公 司 的MSP430F149 作為微處理器。
2. 2 傳感器的選擇。
在選擇傳感器時，需要考慮使用環境對傳感器的影響，所選用傳感器不應受到土壤的腐蝕，且受土質影響應較小，對土壤土壤含水率的應具有較高的分辨率，確保傳感器能在一個較長的時間段內穩定、準確地感知土壤的含水率。
關鍵詞： 物聯網； 土壤墑情； ZigBee; 傳感器。
0 引言。
隨著現代數據傳輸技術（ 如藍牙、紅外線、WiFi、無線網絡技術（ 如 ZigBee、GPRS） 、信息處理技術（ 如云計算技術等） 的發展，農業生產在機械化的基礎上正在朝著自動化、智能化的方向推進。
土壤水分反映了農業干旱程度，以土壤水分為指標，可以指導農業灌溉。土壤的含水狀況俗稱土壤墑情，還包括土壤性質、深度等狀態，其關系到農作物的優質生長。不能及時、足量灌溉，或過量灌溉，都可能導致農作物根莖不能從土壤及時吸收水分，影響農作物的正常生長。另一方面，從農業節水、節能及可持續性發展角度考慮，在灌溉作業中，要實現農業灌溉水資源高效利用，必須實時、精確地掌握農田土壤水分信息，準確地控制灌溉開始時機、結束時機及水量，從而實現節水、節能和作物的良好生長雙重目標。
作為農業大國，我國的農業用水量消耗了 80% 的水資源總量[1],研究開發土壤含水率自動監測和智能控制的灌溉系統，有助于作物良好生長條件的建立和水資源的節約。近年來，國內外研發出土壤水分檢測器，利用無線傳感器采集農業數據信息，實時監測土壤含水率的數據。當土壤含水率數值低于閾值下限時，開啟水泵進行灌溉； 當土壤含水率數值高于閾值上限時，關閉水泵以停止灌溉，實現了物聯網模式下的農業土壤水分智能控制。
然而，受制于傳感器等硬件及通信模塊等軟件系統的發展，現有的農業物聯網運用范圍還很小，普及率較低。目前，物聯網傳感器一般體積較大、不便于攜帶與安裝、能耗高、價格貴、響應速度慢、精度低及數據傳輸不穩定。同時，作為土壤水分傳感器，還需要具備受土質影響小及不易受到土壤中各種成分腐蝕等特點。
1 系統的組成及原理。
系統主要包括硬件部分，如 RHD - 100 土壤水分傳感器、射頻識別芯片 CC2530、MSP430 F149 單片機、步進電機，以及上位機系統軟件等部分。
系統可以實時檢測土壤水分，檢測數據由傳感器采集并通過 GPRS 作為通信渠道發送，采用 SPS 控制傳感器的采樣時間，每 1. 7s 發送 1 次傳感器數據信息。在一個設定的時間斷內，傳感器可自動繪制土壤水分曲線，土壤水分低于閾值下限時，控制終端發送指令，單片機接到指令，通過 I/O 口控制電磁閥開關開啟步進電機； 高于閾值上限時，及時關閉電機，所用數據信息和指令通過無線技術 ZigBee 進行傳輸。
2 硬件實現方案。
2. 1 處理器的選擇。
單片機具有高集成度、高可靠性、低功耗、控制能力強、擴展能力好、體積小巧、高性價比和使用便利等優點，在儀器儀表、專用設備智能化管理及過程控制等領域得到廣泛應用，有效地控制了產品質量，提高了經濟效益。
TI 公司設計的 MSP430F149 因其極低的空閑功耗而聞名，是一個 16 位的、結合了指令和數據總線的馮諾依曼系統結構。MSP430F149 具有 60kB 的非易失性存儲器，系統內可編程，還具備一個 2 kB 的內部SRAM.該處理器可以在 1. 8 ~ 3. 6V 之間進行操作，并且可以被鎖定在 1. 8V、8MHz 兆赫和 3. 6V、高達4 . 15 MHz 的范圍之間。 本系統中，處理器電壓為1. 8V,于 32. 76kHz 時鎖定，每個樣品的平均周期數為988,意味著處理器每秒 197. 600 次活躍； 功率測量顯示共 耗 電 204μW,功 率 測 量 值 只 有 32. 768kHz.MSP430F149 具有通信高速、開發環境方便高效、較寬的運行溫度范圍及較強的抗干擾力，工作穩定，時鐘系統靈活，具有可串行在線編程、喚醒時間較短及中斷 功 能 強 大 等 優 勢。 本 設 計 以 TI 公 司 的MSP430F149 作為微處理器。
2. 2 傳感器的選擇。
在選擇傳感器時，需要考慮使用環境對傳感器的影響，所選用傳感器不應受到土壤的腐蝕，且受土質影響應較小，對土壤土壤含水率的應具有較高的分辨率，確保傳感器能在一個較長的時間段內穩定、準確地感知土壤的含水率。
