基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)研究

趙榮陽 ，王　斌，姜重然

(1．欽州學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院， 廣西 欽州　535000；2．佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院， 黑龍江 佳木斯　154007)

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基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)研究

趙榮陽1，王斌2，姜重然2

(1．欽州學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院， 廣西 欽州535000；2．佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院， 黑龍江 佳木斯154007)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉中有線網(wǎng)絡(luò)成本高、布線困難、覆蓋范圍受限等問題，以AT91SAM9260微處理器為控制核心、CC2530芯片為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，利用超聲波水位傳感器、STR型土壤水分傳感器采集農(nóng)田水位數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，通過GSM通信模塊TC35i，實(shí)現(xiàn)了終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息反饋及用戶控制命令傳輸?shù)闹悄苻r(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)的大田灌溉提供了詳細(xì)的解決方案。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)；ZigBee；CC2530；傳感器

0引言

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大型農(nóng)場(chǎng)、合作社經(jīng)營、大型農(nóng)用機(jī)械廣泛使用，大大提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力水平，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)也從單一的人力勞動(dòng)朝著半自動(dòng)、自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展。目前，農(nóng)業(yè)灌溉主要以滴灌、噴灌、澆灌等方式為主，但由于受到灌溉范圍、網(wǎng)絡(luò)布線等因素的限制，大面積農(nóng)田的灌溉自動(dòng)化程度還不高。因此，研究一種覆蓋范圍廣、價(jià)格低廉、性能可靠的智能灌溉系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的提高具有重要的意義。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于ZigBee技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)主要包括監(jiān)控中心、用戶終端、主控制器、ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的終端節(jié)點(diǎn)等幾部分。主控制器通過協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，與終端節(jié)點(diǎn)通信、發(fā)送控制命令，設(shè)定農(nóng)田上、下限水位值。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到農(nóng)田水位達(dá)到設(shè)定閾值的上限時(shí)，自動(dòng)切斷繼電器供電，關(guān)閉電磁閥，停止灌溉操作；當(dāng)檢測(cè)水位達(dá)設(shè)定閾值的下限時(shí)，開啟電磁閥，自動(dòng)開始灌溉操作[1]。與此同時(shí)，主控制器通過GSM模塊向用戶終端發(fā)送啟/停灌溉通知，并將命令狀態(tài)信息、終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息匯聚到控制中心。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2硬件實(shí)現(xiàn)方案

主控制器應(yīng)用AT91SAM9260微處理器芯片，具有以太網(wǎng)、圖像傳感器、MCI 、USB及SPI等多種類型的接口，可實(shí)現(xiàn)高效的系統(tǒng)管理功能；支持Uc/OS、嵌入式Linux、Android及Windows CE等操作系統(tǒng)類型，支持Java編程。此外，AT91SAM9260內(nèi)部自帶16k的高速緩存，分別用于存儲(chǔ)指令與數(shù)據(jù)，具有32k的 ROM和8k的SDRAM。AT91SAM9260結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

ZigBee技術(shù)是一種具有低功耗、低成本、安全可靠、時(shí)延短、自動(dòng)組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)的無線通信技術(shù)[2]。ZigBee遵循 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee聯(lián)盟定義標(biāo)準(zhǔn),完整的Zigbee協(xié)議棧自上而下由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，通常工作在2.4GHz、868MHz、915MHz3個(gè)頻段上。其中，2.4GHz為全球統(tǒng)一頻段，868、915MHz分別為歐洲、美國ISM段，傳輸速度可達(dá)250kbps，傳輸距離為10～200m，能夠支持樹形、網(wǎng)狀等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3-4]。

ZigBee節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)3種類型。其中，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)初始化網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)組網(wǎng)、向主控制器返回?cái)?shù)據(jù)信息及向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)路由選擇及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)水位、土壤水分等數(shù)據(jù)信息的采集，控制電磁閥通斷[5]。本文采用水位、土壤水分傳感器、CC2530最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)信息采集模塊及射頻接收模塊等。終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2　AT91SAM9260結(jié)構(gòu)框圖

圖3　終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

CC2530是Ti公司的ZigBee SOC解決方案，內(nèi)部集成51控制器、射頻收發(fā)器，具有低功耗、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)等諸多特點(diǎn)[6]。水位傳感器主要有浮子、壓力、超聲波、雷達(dá)及激光等多種類型[7]。綜合比較各類傳感器的價(jià)格、安裝與維護(hù)等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選擇超聲波水位傳感器結(jié)合STR型土壤水分傳感器[8]，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息采集。

2.2GSM控制模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TC35i模塊實(shí)現(xiàn)主控制器與用戶之間的數(shù)據(jù)交互，其具有體積小巧、功耗低、安全可靠及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，主要包括基帶處理器、天線接口、射頻模塊、供電電路、閃存儲(chǔ)器及ZIF接口6部分。

GSM控制模塊的實(shí)現(xiàn)主要是通過40針的電纜連接TC35i和主控制器AT91SAM9260。其中,TC35i的電源接線引腳為1～14；16～23為數(shù)據(jù)通信的接口引腳，與主控制器AT91SAM9260相連接，主要完成短信息的收發(fā)、與9260的通信、軟件流的控制等功能。TC35i的DSR0、RING0、RXD0、TXD0、CTS0、RTS0和DCD0分別接9260的PB22、PB25、PB5、PB4、PB27、PB26、PB24和PB23引腳；24～29作為SIM卡接口引腳；32(SYNC)為負(fù)責(zé)指示工作狀態(tài)引腳。GSM模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4　GSM模塊電路原理圖

2.3Internet控制模塊設(shè)計(jì)

智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)與Internet相結(jié)合，通過ZigBee技術(shù)將灌溉系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在一起，并由主控制器的網(wǎng)絡(luò)接口連接Internet，以達(dá)到用戶可以隨時(shí)、隨地、方便、高效、快捷地訪問灌溉系統(tǒng)的目的。

雖然系統(tǒng)采用的主控制器AT91SAM9260內(nèi)嵌了10/100M Base T以太網(wǎng)MAC，支持IEEE802.3MAC控制層協(xié)議，但缺少物理層的網(wǎng)絡(luò)接口，因而在Internet模塊的電路設(shè)計(jì)中，需額外的物理層接口芯片，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的接入。使用較為廣泛的物理層接口芯片有RTL8201、RTL8019AS及DM9161等多種類型。

DM9161是一款功耗低、功能強(qiáng)的CMOS芯片，內(nèi)部集成整形濾波器功能，通過自動(dòng)選擇介質(zhì)速率和協(xié)議類型，可提供自動(dòng)協(xié)商功能，并且信號(hào)定義明確，連接簡(jiǎn)單。因此，本模塊選用DM9161作為物理層芯片，電路原理如圖5所示。

其中，MDC是管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘引腳，最大時(shí)鐘速率為2.5MHz；MDIO是管理數(shù)據(jù)I/O引腳；CRS為載波監(jiān)聽引腳；COL用于沖突檢測(cè)；TXCLK/RXCLK是發(fā)送/接收時(shí)鐘引腳，在10Mbps串行模式下只用TXD0/RXD0；TXEN是發(fā)送使能端；TXER/RXER是發(fā)送/接收錯(cuò)誤端；RXEN是接收使能端；RXDV是接收數(shù)據(jù)有效端，當(dāng)RXDV=1時(shí)表示接收的數(shù)據(jù)有效。

圖5　DM9161電路原理圖

此外，為增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾性、提高信號(hào)的傳輸距離及確保芯片的安全性，DM9161連接網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器HR911105(集成RJ45接口)直接接入Internet網(wǎng)絡(luò)[9]。DM9161其與網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器HR911105的連接簡(jiǎn)單，只需要把DM9161的接收信號(hào)線RX+、RX-和發(fā)送信號(hào)線TX+、TX-分別與HR911105的RD+、RD-和TD+、TD-相連即可，而且HR911105自帶工作狀態(tài)指示燈，可以用來指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)軟件平臺(tái)選擇以Uboot引導(dǎo)的Linux操作系統(tǒng)，具有免費(fèi)、開源、內(nèi)核可裁剪及功能可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，并能夠通過添加協(xié)議棧支持多種協(xié)議通訊方式[10]。節(jié)點(diǎn)核心CC2530支持802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee協(xié)議定義的4層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，ZigBee協(xié)議層次結(jié)構(gòu)圖如6圖所示。系統(tǒng)通過對(duì)應(yīng)用層設(shè)計(jì)完成ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)的定義，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)的角色確認(rèn)[11]。

3.1主程序設(shè)計(jì)方案

主程序首先初始化GSM通信模塊與ZigBee協(xié)議棧，完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組網(wǎng)，設(shè)定農(nóng)田水位上、下限，接收終端節(jié)數(shù)據(jù)信息，依據(jù)水位、土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)信息選擇啟動(dòng)、關(guān)閉電磁閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。由于影響超聲波水位傳感器精度的主要因素(如溫濕度、泥沙、漂浮物等)在田間是不可避免的，所以水位傳感器檢測(cè)農(nóng)田水位達(dá)到預(yù)設(shè)值上、下限時(shí), 判斷土壤水分傳感器檢測(cè)土壤濕度是否維持在相應(yīng)值不變，即在設(shè)定值區(qū)間的波動(dòng)程度，從而確定電磁閥的通斷，控制灌溉操作的啟停；同時(shí)，通過路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、主控制器，將信息返回到用戶終端。土壤水分傳感器配合水位傳感器采集數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，提高了終端節(jié)點(diǎn)的可靠性。主程序流程圖如圖7所示。

圖6　Zigbee協(xié)議層次結(jié)構(gòu)圖

圖7　主程序流程圖

3.2GSM應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需要，在應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)中為系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)新短信息標(biāo)志位。GSM控制模塊初始化后進(jìn)入新短信息檢測(cè)程序，當(dāng)檢測(cè)到有新的短信息時(shí)，首先提取短信息內(nèi)容并清標(biāo)志位；然后判斷短信息是否為控制短信，若是則向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的控制指令。應(yīng)用程序流程圖如圖8所示。

圖8　GSM控制模塊應(yīng)用程序流程圖

初始化程序主要完成短信息編碼方式的設(shè)置、新短信息提示及選擇短信息的存儲(chǔ)位置等，具體程序代碼如下：

void Initial_TC35i(void)

{

Send_Comm(“AT+CMGF=1 ”);

//短信息為TEXT編碼

Delay(200);

Send_Comm(“AT+CNMI=1,1,0,0,1 ”);//新短信息到達(dá)提示

Delay(200);

Send_Comm(“AT+CPMS=“SM”,“SM”,SM” ”);//短信息存儲(chǔ)于SIM卡

Delay(200);

}

完成初始化后，系統(tǒng)檢測(cè)是否有新的短信息。當(dāng)檢測(cè)到有短信息到達(dá)后，TC35i通過數(shù)據(jù)通信接口向主控制器AT91SAM9260發(fā)送短信息到達(dá)提示，并告知到達(dá)短信息存儲(chǔ)于SIM卡的具體位置。系統(tǒng)收到提示信息后記錄新短信息的存儲(chǔ)位置，并置新短信息到達(dá)標(biāo)志位。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到新短信息的到達(dá)標(biāo)志位為1時(shí)讀取短信息，并根據(jù)短信息的內(nèi)容發(fā)送相應(yīng)的控制指令給終端節(jié)點(diǎn)。

3.3嵌入式Web Server

嵌入式Web Server的引入為智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)提供了條件,系統(tǒng)用戶可以像使用互聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)一樣，在異地通過Internet瀏覽器訪問嵌入式Web Server來查詢終端節(jié)點(diǎn)采集的水位及土壤水分等信息,并能夠發(fā)送控制命令,實(shí)現(xiàn)啟/停灌溉系統(tǒng)及管理終端節(jié)點(diǎn)等操作。

嵌入式Web Server遵循HTTP通信協(xié)議，支持通用網(wǎng)關(guān)接口，能夠?yàn)楹戏ㄓ脩籼峁┎僮鞅憬荨⒔缑嬗押玫腎nternet遠(yuǎn)程控制應(yīng)用[12]。嵌入式Web Server的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9　嵌入式Web Server系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的嵌入式WebServer服務(wù)器采用Inetd啟動(dòng)方式監(jiān)視用戶訪問服務(wù)器的請(qǐng)求連接，并依據(jù)連接的狀態(tài)啟動(dòng)服務(wù)。當(dāng)瀏覽器產(chǎn)生一個(gè)正確無誤的連接請(qǐng)求時(shí)，Inetd才去啟動(dòng)http服務(wù)器，調(diào)用HTTP請(qǐng)求處理模塊。如果用戶要向終端節(jié)點(diǎn)傳送控制命令，則HTTP請(qǐng)求處理模塊根據(jù)HTTP消息的頭部信息，調(diào)用文件模塊中的相應(yīng)文件進(jìn)行處理，處理的結(jié)果按HTTP協(xié)議返回給客戶端。

其中,文件模塊的實(shí)現(xiàn)是由嵌入式Linux操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)完成的。文件模塊可讀寫，包括CGI(公共網(wǎng)關(guān)接口)處理文件及靜態(tài)網(wǎng)頁文件， CGI處理文件是文件模塊的核心部分，具有實(shí)現(xiàn)用戶登陸的身份安全認(rèn)證，以及用戶對(duì)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行控制設(shè)置時(shí)的參數(shù)解析等功能，從而保證了用戶通過瀏覽器完成遠(yuǎn)程控制操作的安全性與正確性[13]。

4結(jié)束語

本文的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)以AT91SAM9260為主控制器、CC2530為各類型節(jié)點(diǎn)核心，結(jié)合ZigBee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，選用網(wǎng)絡(luò)接入芯片DM9161，構(gòu)建嵌入式WebServer服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的Internet訪問,為農(nóng)業(yè)大田灌溉的智能化、網(wǎng)絡(luò)化提供了詳細(xì)的解決方案。此外，用戶能夠通過GSM模塊及時(shí)、便捷地掌握水位及土壤水分等數(shù)據(jù)信息，并通過協(xié)調(diào)器向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的管理。本系統(tǒng)具有可靠性高、覆蓋范圍廣、成本低廉及可擴(kuò)展性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

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Intelligent Irrigating Systems of Agriculture Based on Zigbee Technology

Zhao Rongyang1， Wang Bin2， Jiang Zhongran2

(1.College of Mathematics and Computer Science，Qinzhou University，Qinzhou 535000，China; 2．School of Information and Electronic Technology, Jiamusi University, Jiamusi 154007， China )

Abstract：This paper expounded an intelligent irrigating systems of agricultural which aims at the shortcomings of high cost, difficult to install line, limited coverage,etc,in traditional wired network Agricultural irrigation system. In the system AT91SAM9260 is used as control core , CC2530 as the network node with using Liquid Level Sensor and Soil Moisture Sensor to gather data of liquid Level for farmland. Group Network based on Zigbee technology and through TC35i to transmit control command , data information between user and terminal node.It provided a detailed solution for irrigating in agriculture.

Key words：intelligent irrigating systems of agriculture; ZigBee; CC2530; sensor

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0244-05

中圖分類號(hào)：S275;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

通訊作者：王斌(1979-)，男，黑龍江佳木斯人，副教授。

作者簡(jiǎn)介：趙榮陽(1982-)，男，哈爾濱人，講師，(E-mail)jmsjcr@126.com。

基金項(xiàng)目：廣西高校科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(KY2015LX516)；廣西高校科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目( 2013YB259);佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)研究類重點(diǎn)項(xiàng)目(Lz2014-005)

收稿日期：2015-05-18