基于ZigBee的智能灌溉系統設計

溫宗周,豆朋達,錢佳佳,周冬

(西安工程大學電子信息學院,西安710048)

基于ZigBee的智能灌溉系統設計

溫宗周,豆朋達,錢佳佳,周冬

(西安工程大學電子信息學院,西安710048)

設計開發了一種基于ZigBee技術實現農田節水灌溉、施肥以及信息采集與處理的系統。系統采用CC2530、DHT11、TH-FDR2000、MPM4700和SRS-05VDC作為農田溫濕度、土壤水分測量和無線管道壓力測量以及繼電器動作的終端。采用CC2530設計路由器和協調器,通過路由器接收協調器的命令或發送各節點數據給終端PC。使用C語言開發了上位機程序來控制數據的采集,最終實現了智能灌溉系統的各項功能。經過實驗驗證,該設計具有精度高、功耗低、穩定性好、可視化強,以及集成度高等優點。

ZigBee;CC2530;智能灌溉;數據采集

[1]將ZigBee技術應用于農業灌溉中,雖然實現了農田無線灌溉,但是不能實時監測農田溫濕度、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、不及時或者超量灌溉。參考文獻[8]將GPRS技術和ZigBee技術應用于農業灌溉中,同時使用各種傳感器來監測農田信息,實現了智能灌溉。但是設計中基于GPRS的協調器只能進行終端節點和PC機的通信,本身無法和終端節點一樣采集數據,并且無法自身建立網絡以及進行網絡的維護。這樣既加大了設計難度,又浪費了資源,同時設計中采用太陽能電池供電,雖然設計先進,但是不切合實際并且增加了成本。使用太陽能電池供電,為了不被農田作物遮擋,要豎立長桿高于農作物處收集陽光。而農作物都采用機械化收割,長桿對于收割非常不便,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,設計開發了基于ZigBee技術的智能灌溉系統,不僅大大增加了灌溉范圍,降低了功耗,提高了灌溉精度,而且可以實時監測農田信息進行智能灌溉。

1 系統總體設計

系統主要由ZigBee終端節點、ZigBee路由器節點、ZigBee協調器節點以及上位機4部分組成,系統無線網絡部分構成樹形結構,系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

終端節點作為路由器節點的子節點,負責數據的采集和轉發。路由器節點作為協調器的子節點,增加了ZigBee無線網絡的覆蓋區域及健壯性,路由器負責終端節點和協調器節點間的通信,同時具有監測網絡的功能。協調器節點通過GPRS模塊與上位機相連,負責建立和維護ZigBee網絡、傳遞路由器節點發送來的數據給上位機以及返回上位機的控制命令。上位機主要負責命令的發送以及供工作人員實時查看,并通過已設定的參數自主控制農田的智能灌溉。

2 硬件電路設計

因為設備用于空曠、電力不便的農田,所以供電是一個難點,加上太陽能電池的不便之處,因此在設計時充分考慮節能問題,在設備器件的選取上以功耗低為優先考慮因素。CC2530芯片最大的特點就是低功耗以及自組網,在接收和發射模式下,電流損耗分別低于27 m A和25 m A。兩節5號電池就可支持節點工作近一年時間,因此, ZigBee各節點均采用CC2530作為主控芯片。

系統硬件設計包括各個節點的硬件設計。系統各個節點的主控電路大部分相同,在此僅就終端節點核心模塊加以說明。模塊包括電源接口設計、天線電路設計和晶振電路設計。圖2所示為設計好的終端節點核心模塊。圖中,電源采用3.3 V供電,兩個外部晶振分別為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據采集口與終端節點模塊P0.0引腳連接,另外兩個引腳分別連接電源和GND。DHT11溫濕度傳感器數據采集口與終端節點模塊的P1.1引腳連接,另外兩個引腳分別連接電源和GND。MPM4700型智能液位變送器與終端節點模塊的P0.1引腳連接,輸出4～20 m A電流,之后用電阻將電流信號轉換成電壓信號輸出,輸出電壓為0.6～3 V。繼電器選用SRS-05 VDC型號,在電路中與終端節點模塊P0.7引腳連接。

3 系統軟件設計

系統軟件設計的主要任務是實現無線網絡的組網以及各個節點的加入、傳感器數據的采集與發送、路由器與協調器的控制、GPRS模塊的控制以及繼電器的開關控制等。本系統所用的開發環境是IAR,采用的協議棧為TI的Z-STACK。使用C#設計開發了上位機程序,可通過人機交互的方式實時監測和控制農田的智能灌溉,也可設定參數實現智能灌溉。

3.1 協調器軟件設計

協調器組網包括協調器節點建立網絡、路由器節點加入網絡2個過程。協調器節點建立網絡時,首先初始化硬件設備,然后執行掃描,選擇信道加入網絡,選擇1個唯一的PANID,并設置相應的PIB參數允許路由器節點加入網絡,最后選擇0x0000作為協調器的網絡地址。在路由器加入網絡后,協調器會自動給它們分配16位的網絡地址,協調器軟件設計流程圖如圖3所示。

本系統采用樹狀結構,節點地址由其父節點即協調器節點采用分布式地址方案進行分配,協調器確定整個網絡的數目,每個節點擁有一個網絡深度,用以指示其數據傳輸到協調器的最小跳數。協調器的深度為0,而它的子節點(路由器節點)深度為1,也可得終端節點的深度為2。網絡的深度由協調器決定,在ZigBee網絡中,用Cm表示父節點的最大子節點數,Lm為網絡的最大深度,Rm為最大路由數,因此可以計算網絡中每個節點的工程函數Cskip(d),d是節點到協調器的深度,其函數式為:

首先一個子節點的地址被分配,子節點地址比父節點的地址多1,然后其余節點根據下式求出:

圖2 終端節點核心模塊電路

式中,1≤n≤(Cm-Rm),Aparent代表父節點的地址。

當協調器收到信息時,根據數據的第一個標識字符,判斷網絡地址是來自傳感器還是傳感器采集的數據。若是傳感器的,則把該地址存儲在協調器中,然后把此地址發送給上位機(PC),由上位機作進一步處理;若是傳感器采集的數據信息,則需要通過標識符進一步判斷。數據通過上位機界面進行顯示與操作,通過MSComm與CC2530進行通信。

圖3 協調器軟件設計流程圖

系統上電后,各個節點需將自身設備類型、節點網絡地址、父節點網絡地址發送給協調器,因此,需要設計一個數據結構,用來表示這個節點的信息,本文中設計的數據結構如表1所列。

表1 數據結構

3.2 路由器節點軟件設計

路由協議是無線傳感器網絡的核心技術之一,用于解決網絡的數據傳輸問題,是保證網絡性能的關鍵技術[8]。路由器接收到信息后,設備的地址計算方法使用Cskip(6)函數,之后通過簡單的比較,判斷該向父節點發送還是向子節點發送。用A表示設備地址,D表示目的地址,如果A

路由器上電初始化后,需要申請加入協調器建立的網絡,當它成功加入網絡后,就工作于監控狀態。監控是否有終端節點申請加入網絡,如果有,則同樣需要給該節點分配網絡地址;判斷是否有從協調器發來的命令,如果有且是設置命令,則需要根據命令參數設置該節點,如果有且是讀狀態命令,則需要發送相應的節點工作狀態給協調器。

3.3 終端節點軟件設計

終端節點的軟件類似于路由器節點軟件,只是終端節點不支持其他節點的加入,它的主要任務是采集數據。終端節點模塊上電初始化后將掃描網絡,加入到建立好的網絡,搜索到路由器后便申請加入成為它的子節點,并進行注冊。

加入網絡后,路由器會給子節點分配16位網絡地址,之后,終端節點把16位網絡地址由路由器發給協調器,設備工作時將周期地輪詢路由器,監測是否有來自協調器采集數據的命令。當接收到主節點發出經路由器轉發的查詢信號后,終端節點根據上位機設定的采樣間隔來采集傳感器的數據,并通過無線路由器轉發至協調器。終端節點軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 終端節點軟件設計流程圖

3.4 傳感器軟件設計

(1)DHT11軟件設計

DHT11接收到主機的開始信號,此時主機把總線拉低(必須大于18 ms),保證DHT11能檢測到開始信號。等待主機開始信號結束,然后發送80μs低電平信號,延時等待20～40μs后,讀取DHT11的響應信號。當總線為低電平時,說明DHT11已發送響應信號,之后,再把總線拉高80μs,準備發送數據,共送出40位的數據,每一位數據都以50μs低電平間隔開始,高電平的長短決定了數據位是0還是1,短的是0,長的是1。但如果響應信號為高電平,則說明DHT11沒有響應。當最后一位數據傳送完畢后,拉低總線50μs,隨后總線由上拉電阻拉高,重新進入空閑狀態。一次完整的數據傳輸為40位,從高位輸出。數據格式為8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+ 8位溫度整數數據+8位溫度小數數據+8位校驗和。數據傳送正確時,校驗和數據等于所得結果的末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

本設計選擇0～2.5 V電壓輸出,采用控制器CC2530自帶的ADC進行采樣,ADC參考電壓選擇CC2530內部穩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,電流轉換電路中的電阻選用150Ω的精密電阻,可以將電流轉換為0.6～ 3 V的電壓,使采樣電路的精度達到最高。使用控制器CC2530自帶的ADC進行采樣。用P代表管道壓強,單位為m(H2O);U代表輸出電壓,單位為V,得出的壓力計算公式為:

將m(H2O)轉換成k Pa,1 m(H2O)=10 kPa,即壓力與電壓的函數關系為:

4 實驗驗證

智能灌溉系統的應用,主要是對各個傳感器數據的采集,以及對繼電器動作的控制。實驗步驟如下:

①選擇地勢開闊,類似于農田的地點測試,將協調器上電,GPRS模塊調試成功并與上位機建立連接,之后將路由器節點放置在與協調器距離約70 m的地方。協調器上電建立好網絡后,路由器加入網絡,然后將終端節點放置于距離路由器約70 m,與協調器約140 m成樹狀網的地方,之后上電加入網絡,等待協調器的控制指令。各個節點模塊實物圖如圖5所示。

圖5 設計實物圖

②設備安裝調試完畢后進行實驗,上位機發送采集命令給各個分節點,各個終端節點收到命令后,開始采集數據。根據設定好的采樣間隔發送數據給路由器,接著路由器將數據發送給協調器,經GPRS傳輸顯示在上位機界面上,可以實時查看收到的數據,然后控制繼電器的動作。實驗中,在某一終端節點處改變土壤墑情,上位機成功地實現了控制;另外改變溫濕度或者輸水管道壓力,系統工作正常,實驗成功,上位機界面圖如圖6所示。

圖6 數據采集顯示界面

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

④自主控制時,上位機此時已經設置好了各個參數值,當采集的數據值低于設定參數時,啟動繼電器進行灌溉,當壓力值低于設定值時,開啟水泵對輸水管道加壓,當再次采集回來的值大于設定參數時,關閉繼電器,停止灌溉。

結 語

本文對智能灌溉國內外現狀進行分析,提出了基于ZigBee技術的智能灌溉系統的設計方案,設計開發了相應的終端節點、路由器節點和協調器節點。同時對各個模塊硬件、軟件進行了設計,最后完成了各個模塊的組網、數據采集、數據傳輸和控制指令的執行,實現了智能灌溉系統的設計。實驗結果表明,本文設計的智能灌溉系統有效解決了農田無線智能灌溉面臨的問題,而且實用性強、操作簡單。

參考文獻

[1]趙翠儉,孫素靜,李莉,等.基于無線傳感器網絡的智能灌溉系統設計[J].信息化研究,2013,8(4):44-47.

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[8]張蘇穎.基于物聯網的智能節水灌溉控制網絡設計[J].電子科技,2013,8(8):139-145.

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[10]Kim Y,Evans RG,Iversen WM.Evaluation of closed-loop site-specific irrigat-ion with wireless sensor network[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering,2009,135 (1):25-31.

溫宗周(副教授),豆朋達、錢佳佳(碩士研究生):主要研究方向為嵌入式系統應用與開發。

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、技術等方面的原因,我國農田多數沿用傳統落后的漫灌,而漫灌對于水資源是極大地浪費[1]。隨著社會現代化的發展,因農業技術滯后造成的經濟損失逐年增多。“十三五”規劃提出要靠創新驅動,發揮科技的乘數效應來發展現代化農業技術,促進節水、環保以及小康社會的全面建成,因此發展先進農業技術對我國至關重要。傳統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行灌溉,這樣不僅造成水資源和人力的浪費,而且灌溉不精確。因此,為了解決有線傳輸存在的問題,無線通信技術被不斷應用于農業灌溉中。