溫宗周,豆朋達(dá),錢佳佳,周冬

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院,西安710048)

基于ZigBee的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫宗周,豆朋達(dá),錢佳佳,周冬

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院,西安710048)

設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田節(jié)水灌溉、施肥以及信息采集與處理的系統(tǒng)。系統(tǒng)采用CC2530、DHT11、TH-FDR2000、MPM4700和SRS-05VDC作為農(nóng)田溫濕度、土壤水分測(cè)量和無線管道壓力測(cè)量以及繼電器動(dòng)作的終端。采用CC2530設(shè)計(jì)路由器和協(xié)調(diào)器,通過路由器接收協(xié)調(diào)器的命令或發(fā)送各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)給終端PC。使用C語言開發(fā)了上位機(jī)程序來控制數(shù)據(jù)的采集,最終實(shí)現(xiàn)了智能灌溉系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該設(shè)計(jì)具有精度高、功耗低、穩(wěn)定性好、可視化強(qiáng),以及集成度高等優(yōu)點(diǎn)。

ZigBee;CC2530;智能灌溉;數(shù)據(jù)采集

[1]將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉中,雖然實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田無線灌溉,但是不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田溫濕度、土壤墑情和輸水管道壓力等信息,這樣就造成灌溉不精確、范圍小、不及時(shí)或者超量灌溉。參考文獻(xiàn)[8]將GPRS技術(shù)和ZigBee技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉中,同時(shí)使用各種傳感器來監(jiān)測(cè)農(nóng)田信息,實(shí)現(xiàn)了智能灌溉。但是設(shè)計(jì)中基于GPRS的協(xié)調(diào)器只能進(jìn)行終端節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)的通信,本身無法和終端節(jié)點(diǎn)一樣采集數(shù)據(jù),并且無法自身建立網(wǎng)絡(luò)以及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)。這樣既加大了設(shè)計(jì)難度,又浪費(fèi)了資源,同時(shí)設(shè)計(jì)中采用太陽能電池供電,雖然設(shè)計(jì)先進(jìn),但是不切合實(shí)際并且增加了成本。使用太陽能電池供電,為了不被農(nóng)田作物遮擋,要豎立長(zhǎng)桿高于農(nóng)作物處收集陽光。而農(nóng)作物都采用機(jī)械化收割,長(zhǎng)桿對(duì)于收割非常不便,每次收割前都需拆除。因此,為了解決智能灌溉存在的高成本、范圍小、精度低等問題,設(shè)計(jì)開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)的智能灌溉系統(tǒng),不僅大大增加了灌溉范圍,降低了功耗,提高了灌溉精度,而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田信息進(jìn)行智能灌溉。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)4部分組成,系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)部分構(gòu)成樹形結(jié)構(gòu),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

終端節(jié)點(diǎn)作為路由器節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)。路由器節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn),增加了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域及健壯性,路由器負(fù)責(zé)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的通信,同時(shí)具有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過GPRS模塊與上位機(jī)相連,負(fù)責(zé)建立和維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)、傳遞路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)給上位機(jī)以及返回上位機(jī)的控制命令。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)命令的發(fā)送以及供工作人員實(shí)時(shí)查看,并通過已設(shè)定的參數(shù)自主控制農(nóng)田的智能灌溉。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

因?yàn)樵O(shè)備用于空曠、電力不便的農(nóng)田,所以供電是一個(gè)難點(diǎn),加上太陽能電池的不便之處,因此在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮節(jié)能問題,在設(shè)備器件的選取上以功耗低為優(yōu)先考慮因素。CC2530芯片最大的特點(diǎn)就是低功耗以及自組網(wǎng),在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低于27 m A和25 m A。兩節(jié)5號(hào)電池就可支持節(jié)點(diǎn)工作近一年時(shí)間,因此, ZigBee各節(jié)點(diǎn)均采用CC2530作為主控芯片。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的主控電路大部分相同,在此僅就終端節(jié)點(diǎn)核心模塊加以說明。模塊包括電源接口設(shè)計(jì)、天線電路設(shè)計(jì)和晶振電路設(shè)計(jì)。圖2所示為設(shè)計(jì)好的終端節(jié)點(diǎn)核心模塊。圖中,電源采用3.3 V供電,兩個(gè)外部晶振分別為32 MHz、32.769 8 k Hz,C14～C17分別為它們的去耦電容和土壤水分傳感器數(shù)據(jù)采集口與終端節(jié)點(diǎn)模塊P0.0引腳連接,另外兩個(gè)引腳分別連接電源和GND。DHT11溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集口與終端節(jié)點(diǎn)模塊的P1.1引腳連接,另外兩個(gè)引腳分別連接電源和GND。MPM4700型智能液位變送器與終端節(jié)點(diǎn)模塊的P0.1引腳連接,輸出4～20 m A電流,之后用電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出,輸出電壓為0.6～3 V。繼電器選用SRS-05 VDC型號(hào),在電路中與終端節(jié)點(diǎn)模塊P0.7引腳連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加入、傳感器數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送、路由器與協(xié)調(diào)器的控制、GPRS模塊的控制以及繼電器的開關(guān)控制等。本系統(tǒng)所用的開發(fā)環(huán)境是IAR,采用的協(xié)議棧為TI的Z-STACK。使用C#設(shè)計(jì)開發(fā)了上位機(jī)程序,可通過人機(jī)交互的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制農(nóng)田的智能灌溉,也可設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能灌溉。

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器組網(wǎng)包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)、路由器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)2個(gè)過程。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)時(shí),首先初始化硬件設(shè)備,然后執(zhí)行掃描,選擇信道加入網(wǎng)絡(luò),選擇1個(gè)唯一的PANID,并設(shè)置相應(yīng)的PIB參數(shù)允許路由器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),最后選擇0x0000作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址。在路由器加入網(wǎng)絡(luò)后,協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)給它們分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址,協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

本系統(tǒng)采用樹狀結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)地址由其父節(jié)點(diǎn)即協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用分布式地址方案進(jìn)行分配,協(xié)調(diào)器確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目,每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)深度,用以指示其數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器的最小跳數(shù)。協(xié)調(diào)器的深度為0,而它的子節(jié)點(diǎn)(路由器節(jié)點(diǎn))深度為1,也可得終端節(jié)點(diǎn)的深度為2。網(wǎng)絡(luò)的深度由協(xié)調(diào)器決定,在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,用Cm表示父節(jié)點(diǎn)的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù),Lm為網(wǎng)絡(luò)的最大深度,Rm為最大路由數(shù),因此可以計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工程函數(shù)Cskip(d),d是節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器的深度,其函數(shù)式為:

首先一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的地址被分配,子節(jié)點(diǎn)地址比父節(jié)點(diǎn)的地址多1,然后其余節(jié)點(diǎn)根據(jù)下式求出:

圖2 終端節(jié)點(diǎn)核心模塊電路

式中,1≤n≤(Cm-Rm),Aparent代表父節(jié)點(diǎn)的地址。

當(dāng)協(xié)調(diào)器收到信息時(shí),根據(jù)數(shù)據(jù)的第一個(gè)標(biāo)識(shí)字符,判斷網(wǎng)絡(luò)地址是來自傳感器還是傳感器采集的數(shù)據(jù)。若是傳感器的,則把該地址存儲(chǔ)在協(xié)調(diào)器中,然后把此地址發(fā)送給上位機(jī)(PC),由上位機(jī)作進(jìn)一步處理;若是傳感器采集的數(shù)據(jù)信息,則需要通過標(biāo)識(shí)符進(jìn)一步判斷。數(shù)據(jù)通過上位機(jī)界面進(jìn)行顯示與操作,通過MSComm與CC2530進(jìn)行通信。

圖3 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)上電后,各個(gè)節(jié)點(diǎn)需將自身設(shè)備類型、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址、父節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器,因此,需要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用來表示這個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息,本文中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所列。

表1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.2 路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一,用于解決網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸問題,是保證網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵技術(shù)[8]。路由器接收到信息后,設(shè)備的地址計(jì)算方法使用Cskip(6)函數(shù),之后通過簡(jiǎn)單的比較,判斷該向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送還是向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送。用A表示設(shè)備地址,D表示目的地址,如果A

路由器上電初始化后,需要申請(qǐng)加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò),當(dāng)它成功加入網(wǎng)絡(luò)后,就工作于監(jiān)控狀態(tài)。監(jiān)控是否有終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò),如果有,則同樣需要給該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址;判斷是否有從協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令,如果有且是設(shè)置命令,則需要根據(jù)命令參數(shù)設(shè)置該節(jié)點(diǎn),如果有且是讀狀態(tài)命令,則需要發(fā)送相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)給協(xié)調(diào)器。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的軟件類似于路由器節(jié)點(diǎn)軟件,只是終端節(jié)點(diǎn)不支持其他節(jié)點(diǎn)的加入,它的主要任務(wù)是采集數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)模塊上電初始化后將掃描網(wǎng)絡(luò),加入到建立好的網(wǎng)絡(luò),搜索到路由器后便申請(qǐng)加入成為它的子節(jié)點(diǎn),并進(jìn)行注冊(cè)。

加入網(wǎng)絡(luò)后,路由器會(huì)給子節(jié)點(diǎn)分配16位網(wǎng)絡(luò)地址,之后,終端節(jié)點(diǎn)把16位網(wǎng)絡(luò)地址由路由器發(fā)給協(xié)調(diào)器,設(shè)備工作時(shí)將周期地輪詢路由器,監(jiān)測(cè)是否有來自協(xié)調(diào)器采集數(shù)據(jù)的命令。當(dāng)接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)出經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)的查詢信號(hào)后,終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的采樣間隔來采集傳感器的數(shù)據(jù),并通過無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.4 傳感器軟件設(shè)計(jì)

(1)DHT11軟件設(shè)計(jì)

DHT11接收到主機(jī)的開始信號(hào),此時(shí)主機(jī)把總線拉低(必須大于18 ms),保證DHT11能檢測(cè)到開始信號(hào)。等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束,然后發(fā)送80μs低電平信號(hào),延時(shí)等待20～40μs后,讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)總線為低電平時(shí),說明DHT11已發(fā)送響應(yīng)信號(hào),之后,再把總線拉高80μs,準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),共送出40位的數(shù)據(jù),每一位數(shù)據(jù)都以50μs低電平間隔開始,高電平的長(zhǎng)短決定了數(shù)據(jù)位是0還是1,短的是0,長(zhǎng)的是1。但如果響應(yīng)信號(hào)為高電平,則說明DHT11沒有響應(yīng)。當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)傳送完畢后,拉低總線50μs,隨后總線由上拉電阻拉高,重新進(jìn)入空閑狀態(tài)。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40位,從高位輸出。數(shù)據(jù)格式為8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+ 8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗(yàn)和。數(shù)據(jù)傳送正確時(shí),校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于所得結(jié)果的末8位,分辨率分別為8位(溫度)、8位(濕度)。

(2)TH-FDR2000土壤水分傳感器

本設(shè)計(jì)選擇0～2.5 V電壓輸出,采用控制器CC2530自帶的ADC進(jìn)行采樣,ADC參考電壓選擇CC2530內(nèi)部穩(wěn)壓器生成的參考電壓,在AVDD5引腳的參考電壓為3 V,可以滿足采集要求。

以下是土壤容積含水量的標(biāo)定公式:

θv代表土壤容積含水量;V代表采集器采集到的電壓值,單位為V。

(3)MPM4700壓力變送器

本傳感器為4～20 m A電流輸出,電流轉(zhuǎn)換電路中的電阻選用150Ω的精密電阻,可以將電流轉(zhuǎn)換為0.6～ 3 V的電壓,使采樣電路的精度達(dá)到最高。使用控制器CC2530自帶的ADC進(jìn)行采樣。用P代表管道壓強(qiáng),單位為m(H2O);U代表輸出電壓,單位為V,得出的壓力計(jì)算公式為:

將m(H2O)轉(zhuǎn)換成k Pa,1 m(H2O)=10 kPa,即壓力與電壓的函數(shù)關(guān)系為:

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

智能灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用,主要是對(duì)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的采集,以及對(duì)繼電器動(dòng)作的控制。實(shí)驗(yàn)步驟如下:

①選擇地勢(shì)開闊,類似于農(nóng)田的地點(diǎn)測(cè)試,將協(xié)調(diào)器上電,GPRS模塊調(diào)試成功并與上位機(jī)建立連接,之后將路由器節(jié)點(diǎn)放置在與協(xié)調(diào)器距離約70 m的地方。協(xié)調(diào)器上電建立好網(wǎng)絡(luò)后,路由器加入網(wǎng)絡(luò),然后將終端節(jié)點(diǎn)放置于距離路由器約70 m,與協(xié)調(diào)器約140 m成樹狀網(wǎng)的地方,之后上電加入網(wǎng)絡(luò),等待協(xié)調(diào)器的控制指令。各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)實(shí)物圖

②設(shè)備安裝調(diào)試完畢后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),上位機(jī)發(fā)送采集命令給各個(gè)分節(jié)點(diǎn),各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)收到命令后,開始采集數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)定好的采樣間隔發(fā)送數(shù)據(jù)給路由器,接著路由器將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器,經(jīng)GPRS傳輸顯示在上位機(jī)界面上,可以實(shí)時(shí)查看收到的數(shù)據(jù),然后控制繼電器的動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)中,在某一終端節(jié)點(diǎn)處改變土壤墑情,上位機(jī)成功地實(shí)現(xiàn)了控制;另外改變溫濕度或者輸水管道壓力,系統(tǒng)工作正常,實(shí)驗(yàn)成功,上位機(jī)界面圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集顯示界面

③施肥時(shí),將肥料撒入水池中,開啟攪拌器,充分將肥料溶入水中,通過輸水管道進(jìn)行施肥,這樣施肥可以增加對(duì)肥料的吸收,降低浪費(fèi)。

④自主控制時(shí),上位機(jī)此時(shí)已經(jīng)設(shè)置好了各個(gè)參數(shù)值,當(dāng)采集的數(shù)據(jù)值低于設(shè)定參數(shù)時(shí),啟動(dòng)繼電器進(jìn)行灌溉,當(dāng)壓力值低于設(shè)定值時(shí),開啟水泵對(duì)輸水管道加壓,當(dāng)再次采集回來的值大于設(shè)定參數(shù)時(shí),關(guān)閉繼電器,停止灌溉。

結(jié) 語

本文對(duì)智能灌溉國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行分析,提出了基于ZigBee技術(shù)的智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)開發(fā)了相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。同時(shí)對(duì)各個(gè)模塊硬件、軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì),最后完成了各個(gè)模塊的組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和控制指令的執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)了智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的智能灌溉系統(tǒng)有效解決了農(nóng)田無線智能灌溉面臨的問題,而且實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單。

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溫宗周(副教授),豆朋達(dá)、錢佳佳(碩士研究生):主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)。

Intelligent Irrigation System Based on ZigBee

Wen Zongzhou,Dou Pengda,Qian Jiajia,Zhou Dong
(College of Electronics and Information,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

In the paper,a water-saving irrigation,fertilization and information acquisition and processing system is proposed based on Zig-Bee technology.The system uses CC2530,DHT11,TH-FDR2000,MPM4700 and SRS-05VDCin the fields of temperature and humidity, soil moisture measurement and pipeline pressure measurement and wireless relay terminal.The CC2530 is used to design the router and coordinator.The router receives the command or coordinator sends the each node data to the PC.The C language is used to develop the upper program to control the data collection.The functions of the intelligent irrigation system all are achieved.The experiment results show that the design has the advantages of high precision,low-power consumption,good stability,strong visualization and high integration.

ZigBee;CC2530;intelligent irrigation;data acquisition

S275.4

:A

引 言

薛士然

2016-05-23)

由于資金、技術(shù)等方面的原因,我國(guó)農(nóng)田多數(shù)沿用傳統(tǒng)落后的漫灌,而漫灌對(duì)于水資源是極大地浪費(fèi)[1]。隨著社會(huì)現(xiàn)代化的發(fā)展,因農(nóng)業(yè)技術(shù)滯后造成的經(jīng)濟(jì)損失逐年增多?！笆濉币?guī)劃提出要靠創(chuàng)新驅(qū)動(dòng),發(fā)揮科技的乘數(shù)效應(yīng)來發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù),促進(jìn)節(jié)水、環(huán)保以及小康社會(huì)的全面建成,因此發(fā)展先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)對(duì)我國(guó)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的滴灌控制多采用有線方式,且只通過觀察地表潮濕度來進(jìn)行灌溉,這樣不僅造成水資源和人力的浪費(fèi),而且灌溉不精確。因此,為了解決有線傳輸存在的問題,無線通信技術(shù)被不斷應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉中。