謝振偉　馬蓉　趙天圖

摘要：針對新疆生產(chǎn)建設兵團的農(nóng)田作物在少雨、高溫、干燥等多種因素制約下，其農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用率普遍較低的現(xiàn)狀，設計一套基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用8051微處理器作為控制器，并與各類溫濕度傳感器組成傳感器節(jié)點，實現(xiàn)對棉田土壤墑情的采集，通過功放芯片CC2591與主芯片CC2530的連接，實現(xiàn)信息的遠距離傳輸。設計無線通信的節(jié)點系統(tǒng)，在空曠地區(qū)和棉田分別進行試驗測試，在棉田中有效通信距離達 825 m。試驗結果表明，整個網(wǎng)絡的平均丟包率為275%，因而系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠準確地采集棉田各類信息，達到節(jié)水灌溉的目的。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；功放芯片；節(jié)水灌溉；棉田

中圖分類號： S274；TP2129文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2017）16-0225-04

[HJ14mm]

收稿日期：2016-05-10

基金項目：國家“863”計劃（編號：2013AA102300）。

作者簡介：謝振偉（1986—），男，山東煙臺人，碩士，主要從事精細農(nóng)業(yè)技術系統(tǒng)研究。E-mail：1220942844@qqcom。

通信作者：馬蓉，博士，教授，碩士生導師，主要從事精細農(nóng)業(yè)技術系統(tǒng)研究。E-mail：lzymrhs@163com。[HJ]

新疆作為我國的一個農(nóng)業(yè)大省，灌溉用水約占農(nóng)業(yè)用水的90%，并且新疆地處內陸干旱區(qū)，常年降水稀少、氣候干旱，造成水資源嚴重不足。近年來隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市的快速發(fā)展，水的供需矛盾進一步加劇，同時水資源浪費現(xiàn)象日趨嚴重；因而發(fā)展高效節(jié)水型灌溉技術已成為新疆干旱區(qū)自動化農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑，也是緩解水資源短缺的有效措施和促進水資源持續(xù)利用的一項長期性任務。

基于ZigBee的無線網(wǎng)絡作為一種新興的信息處理與通信技術，憑借其成本低、可靠性好等特點，已被充分應用于自動化農(nóng)業(yè)領域。北京林業(yè)大學的江挺等設計了一套基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的灌溉控制系統(tǒng)，目前已在北京等地區(qū)的小型農(nóng)田試驗地進行了安裝運行，基本達到預期設計目標[3]。西北農(nóng)林科技大學的謝紅彪等研制了一套基于ZigBee的田間灌溉自動測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用具有ZigBee技術的AT89C51模塊和HM1500濕度傳感器組成的傳感器節(jié)點，并將其部署在棉田的各個角落，對土壤墑情信息進行采集、處理后發(fā)送到遠程控制中心，使其對灌溉進行決策和控制[4]；但其通信模塊的傳輸距離短，并不適合于新疆大型的農(nóng)場。新疆石河子149團的棉田，采用SD卡的形式定時地對農(nóng)田中的電磁閥進行控制，以達到灌溉的目的。上述技術系統(tǒng)的運用，使得干旱區(qū)不僅得不到及時的灌溉，而且造成水資源的浪費。因此，本研究在前人的基礎上，設計一套基于ZigBee無線通信網(wǎng)絡的灌溉控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)和控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)的雙向通信。

1系統(tǒng)總體設計

灌溉系統(tǒng)的總體結構如圖1所示：系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點、遠程服務器、上位機控制中心、基于STM32F107的ZigBee網(wǎng)關及基于609 G的GPRS網(wǎng)絡構成[5]。

系統(tǒng)中的ZigBee無線網(wǎng)絡采用的是網(wǎng)狀拓撲結構，節(jié)點包括傳感器節(jié)點、電磁閥控制節(jié)點、路由節(jié)點（包含在通信模塊中）和網(wǎng)關節(jié)點。其中，網(wǎng)關節(jié)點由協(xié)調器充當。傳感器節(jié)點與濕度檢測傳感器及空氣溫濕度傳感器相連，用于定時采集棉田土壤的濕度及周圍的環(huán)境參數(shù)，并將采集到的信息通過ZigBee網(wǎng)絡傳送到協(xié)調器中；協(xié)調器初始化信道、網(wǎng)絡的IP地址，處理各個子節(jié)點的入網(wǎng)請求，并將數(shù)據(jù)信息經(jīng)串口協(xié)議傳到ZigBee網(wǎng)關；網(wǎng)關實現(xiàn)GPRS、上位機與無線傳感器網(wǎng)絡的連接與交互；路由節(jié)點負責節(jié)點間數(shù)據(jù)包的傳送，上傳傳感器節(jié)點發(fā)送給協(xié)調器的數(shù)據(jù)包，處理子節(jié)點的入網(wǎng)請求等，通過GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的存儲與管理。

2硬件系統(tǒng)的整體設計

21傳感器選型

為實現(xiàn)棉田的合理精確灌溉，系統(tǒng)中的傳感器主要需采集田間土壤的水分和空氣溫濕度參數(shù)。綜合考慮系統(tǒng)設計和網(wǎng)絡節(jié)點功耗低的要求，土壤水分檢測選用Decagon公司生產(chǎn)的EC-5傳感器。EC-5的外層能夠承受較強的鹽堿度，傳感器電路受溫度變化的影響較小，又由于其具有較高分辨率，因而便于將其掩埋在土壤的不同深度進行長時間的測量?？諝鉁貪穸葴y量選用DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，測量的溫度范圍為-40～80 ℃，相對濕度范圍為20%～90%，測量精度分別為<05 ℃、≤2%[5]。因此該傳感器能夠直接穩(wěn)定地反映土壤的含水量和空氣的溫濕度。

22網(wǎng)絡通信模塊的設計

ZigBee無線網(wǎng)絡的核心處理器采用TI芯片公司研制的CC2530，該芯片整合了高性能的射頻收發(fā)模塊、增強型8051內核處理器、靜態(tài)隨機存儲器（static RAM，簡稱SRAM）和 A/D 轉換接口等外設。同時CC2530具有不同的運行模式，并且模式之間的轉換時間短，芯片的休眠電流僅為1 μA。為[CM（25]提高信息的通信距離，可在主芯片CC2530上搭載一款射[CM）]

頻功放芯片CC2591，其輸出功率高達22 dBm，理論上的最遠傳輸距離達1 km，適用于環(huán)境復雜的農(nóng)田。

23傳感器節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點一般包括傳感器模塊、處理器模塊、功率放大模塊及能量供應模塊4部分。其結構如圖2所示。

24電磁閥控制節(jié)點硬件設計

電磁閥控制節(jié)點的硬件結構與傳感器節(jié)點相似，其不同之處在于其設計接口上連接灌溉控制板和雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥（圖3）。根據(jù)傳感器節(jié)點采集到的土壤水分值與預先設置的閾值進行比較，實現(xiàn)協(xié)調器控制每個閥門的開啟與閉合，進而達到灌溉目的。

25網(wǎng)關硬件設計

無線傳感網(wǎng)絡的網(wǎng)關硬件采用意法半導體（ST）公司生產(chǎn)的高性能MCU-STM32F103C8T6芯片。在組建微控制單元（micro controller unit，簡稱MCU）網(wǎng)關系統(tǒng)時，向外擴建的模塊有電源模塊、串口通信模塊、存儲模塊、GPRS模塊、協(xié)調器模塊以及繼電器模塊等[8]（圖4）。

系統(tǒng)的軟件設計主要分為傳感器節(jié)點程序、電磁閥控制節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點程序的設計。

31傳感器節(jié)點程序設計

傳感器節(jié)點應用層的程序設計主要實現(xiàn)網(wǎng)絡底層的各個驅動程序調用、數(shù)據(jù)信息的定時采集、數(shù)據(jù)包的壓縮并傳送、數(shù)據(jù)包的接收并解析等。設計思路為節(jié)點通電后會自動加入到由協(xié)調器組建的ZigBee無線網(wǎng)絡中，并獲取屬于自己的短地址；節(jié)點初始化以后將定時采集農(nóng)田的數(shù)據(jù)信息，并將自身的設備號、數(shù)據(jù)包號和數(shù)據(jù)參數(shù)聚成數(shù)據(jù)包，傳送給協(xié)調器，協(xié)調器接收到數(shù)據(jù)包后將其解析，若土壤的含水率比閾值高，則保持采集信息模式不變，即閉合該傳感器節(jié)點檢測領域內的電磁閥，否則切換到采集模式2，即打開電磁閥，同時定時監(jiān)測田間數(shù)據(jù)（圖5）。

32電磁閥控制節(jié)點程序設計

電磁閥控制節(jié)點應用層的程序設計主要實現(xiàn)底層中每個驅動程序的調用、接收并執(zhí)行網(wǎng)關發(fā)送來的命令等任務。設計的思路為電磁閥的節(jié)點通電后，自動加入到由協(xié)調器組建的ZigBee網(wǎng)絡中，并獲取屬于自身的短地址，然后將自身的設備號、數(shù)據(jù)包號以及電磁閥狀態(tài)聚合成一個數(shù)據(jù)包，傳送給協(xié)調器，同時等待協(xié)調器的指令，并從指令中分析出電磁閥的控制命令與休眠時間，執(zhí)行電磁閥的開啟或閉合并將電磁閥的狀態(tài)傳送到協(xié)調器中后，進入休眠狀態(tài)。協(xié)調器接收并解析傳來的數(shù)據(jù)包，最后將電磁閥的狀態(tài)進行存儲。

33網(wǎng)關軟件程序設計

331ZigBee協(xié)調器的程序

協(xié)調器在整個網(wǎng)絡中的主要作用是組建無線傳感器網(wǎng)絡、匯聚各個節(jié)點數(shù)據(jù)、傳送控制命令，實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡與每個傳感器節(jié)點和電磁閥節(jié)點的相互通信[9]。圖6為協(xié)調器的程序流程。

332STM32控制器的程序

網(wǎng)關硬件通電后，將應用程序初始化，協(xié)調器組建無線網(wǎng)絡，通過串口RS2302與上位機的控制中心相連接，GPRS模塊使用默認的設置與遠程服務器相連接。程序初始化完成后便開始監(jiān)聽網(wǎng)絡，等待無線網(wǎng)絡和以太網(wǎng)分別發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是從什么網(wǎng)絡中傳來的，若是以太網(wǎng)傳來的命令，則需進行指令解析，調用串口模塊將指令傳送到微控制單元MCU[10]；若是無線網(wǎng)絡傳來的數(shù)據(jù)，則調用GPRS模塊發(fā)送信息給遠程終端（圖7）。

34棉田滴灌系統(tǒng)上位機的軟件設計

上位機控制中心采用高級語言C++，基于TCP/IP協(xié)議進行開發(fā)，通過串口實現(xiàn)與網(wǎng)關的通信，以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查看與存儲、閾值設置、端口設置以及采集時間設置等任務。

35遠程服務器的設計

服務器使用Visual Studio 2010，利用C語言進行開發(fā)。實現(xiàn)因特網(wǎng)與網(wǎng)關的通信，接收并顯示每個節(jié)點的具體數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)試驗

41節(jié)點通信距離測試

無線傳感器網(wǎng)絡的有效通信距離直接影響著整個網(wǎng)絡的覆蓋范圍[11]。農(nóng)場棉田中，植株種植面積與密度都比較大，且棉花生長高度多為05～06 m，因而節(jié)點需具有較大的發(fā)射功率，才能保證理想的通信距離。本研究分別在空曠地區(qū)和棉花田中測試節(jié)點的有效通信距離，設置的節(jié)點高度分別為03、06、12 m，設置發(fā)射功率為節(jié)點最大值21 dBm，射頻功率設定在24 GHz頻段。每隔5 s定時傳送節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)信息，并通過上位機來觀察節(jié)點處于不同位置時，數(shù)據(jù)包能否正確傳達，當能正確傳達時增加收發(fā)距離。當協(xié)調器處于收發(fā)不穩(wěn)定時，應用激光測距儀檢測2個節(jié)點間的直線距離，重復檢測多次，取其平均值，經(jīng)過測試節(jié)點的高度為 12 m 時，其通信距離最遠。測得節(jié)點的最大有效通信距離如表1所示。

42節(jié)點感知精度測試

感知精度是指器件獲取信息的精確度，是無線傳感器網(wǎng)絡的重要性能評價指標之一[12]。利用機械式濕度計、標準水銀溫度計以及土壤水分測量儀在節(jié)點處同時檢測濕度和溫度，與EC-5和DHT22傳感器在節(jié)點處的實測值進行比較。測試結果表明，節(jié)點采集的濕度誤差最大為24%，平均誤差為096%；溫度誤差最大為05 ℃，平均誤差為015 ℃。圖8為從2016年4月12日15：00開始，節(jié)點溫度實測值與水銀溫度計測量值的逐時變化。

43節(jié)點功耗測試

采樣電阻電壓的方法進行節(jié)點功耗測量[12]。在電源模塊的接口處串接1個10 Ω的電阻，利用高精度萬能表測量實

[FK（W12][TPXZW8tif][FK）]

際電壓值U，測得實際電流為I=U/10，再依據(jù)各狀態(tài)電流I以及持續(xù)時間t，經(jīng)過功耗計算公式測得節(jié)點每周期所消耗的電量。測量的結果顯示，節(jié)點系統(tǒng)的休眠電流為007 mA，信息采集時的電流為112 mA，發(fā)射時的電流為126 mA。依據(jù)功耗公式，以每30 min為1次測量周期，節(jié)點消耗的電量為6 mA·h/d，則使用3 000 mA·h的37 V電池串聯(lián)能夠使無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點持續(xù)工作時間達到 500 d，這符合系統(tǒng)低功耗的要求。節(jié)點功耗的計算公式為

[JZ（]Q=24×2×（I1·t1+I2·t2+I3·t3）。[JZ）]

式中：I1、I2、I3分別為節(jié)點的休眠電流、采集電流、發(fā)射狀態(tài)電流。

44系統(tǒng)的整體測試

本研究將設計的節(jié)點系統(tǒng)于石河子農(nóng)業(yè)科技園區(qū)（棉花地長1025 m，寬721 m，植株長寬間隔為034 m×018 m，高度為05～06 m）進行無線傳感器組網(wǎng)試驗，測得棉花田的實際土壤含水率、空氣溫濕度等。共使用6個節(jié)點，其中包括1個協(xié)調器節(jié)點、4個傳感器節(jié)點、4個電磁閥節(jié)點、1個路由器節(jié)點。其中節(jié)點3和節(jié)點4距離協(xié)調器較遠，需要通過路由器節(jié)點進行中轉。

試驗將棉花田主要劃分為4個區(qū)域，每個區(qū)域都有相應的傳感器節(jié)點負責監(jiān)測此區(qū)域的溫度與濕度，并且根據(jù)土壤含水率是否超過閾值來控制對應的電磁閥控制節(jié)點開關，達到精確灌溉的效果。傳感器節(jié)點與電磁閥控制節(jié)點的工作如圖9所示。

45網(wǎng)絡的丟包率測試

傳感器節(jié)點依據(jù)土壤含水率的采集方式，設定采集周期為20 min，采用節(jié)點休眠喚醒機制，連續(xù)監(jiān)測7 d，測試的結果如表2所示。由表2可知，整個網(wǎng)絡的平均丟包率為 275%，此系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸比較穩(wěn)定可靠。

5結束語

本研究設計以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡為核心的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。傳感器節(jié)點以8051為核心，CC2530為主芯片，搭載CC2591功放芯片及其外圍電路作為無線通信模塊，EC-5土壤水分傳感器、DHT22數(shù)字溫濕度傳感器及外圍電路作為傳感器模塊，此系統(tǒng)的各節(jié)點能夠自組網(wǎng)，形成自愈型網(wǎng)狀網(wǎng)絡，在棉田間節(jié)點的有效通信距離達825 m。通過試驗結果可知，整個網(wǎng)絡的平均丟包率僅為275%。綜上所述，該系統(tǒng)具有良好的實時性和可靠性，能夠準確地采集棉田各類信息和控制電磁閥的工作，實現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的。

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