基于ZigBee無線傳感器網絡的棉田節水灌溉系統設計

謝振偉　馬蓉　趙天圖

摘要：針對新疆生產建設兵團的農田作物在少雨、高溫、干燥等多種因素制約下，其農業灌溉水資源利用率普遍較低的現狀，設計一套基于ZigBee無線傳感器網絡的節水灌溉系統。該系統采用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點，實現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，實現信息的遠距離傳輸。設計無線通信的節點系統，在空曠地區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，整個網絡的平均丟包率為275%，因而系統運行穩定可靠，能夠準確地采集棉田各類信息，達到節水灌溉的目的。

關鍵詞：無線傳感器網絡；ZigBee；功放芯片；節水灌溉；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，主要從事精細農業技術系統研究。E-mail：1220942844@qqcom。

通信作者：馬蓉，博士，教授，碩士生導師，主要從事精細農業技術系統研究。E-mail：lzymrhs@163com。[HJ]

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

基于ZigBee的無線網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業領域。北京林業大學的江挺等設計了一套基于ZigBee無線傳感器網絡的灌溉控制系統，目前已在北京等地區的小型農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，該系統采用具有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場。新疆石河子149團的棉田，采用SD卡的形式定時地對農田中的電磁閥進行控制，以達到灌溉的目的。上述技術系統的運用，使得干旱區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無線通信網絡的灌溉控制系統，以實現和控制節水灌溉系統的雙向通信。

1系統總體設計

灌溉系統的總體結構如圖1所示：系統由ZigBee網絡節點、遠程服務器、上位機控制中心、基于STM32F107的ZigBee網關及基于609 G的GPRS網絡構成[5]。

系統中的ZigBee無線網絡采用的是網狀拓撲結構，節點包括傳感器節點、電磁閥控制節點、路由節點（包含在通信模塊中）和網關節點。其中，網關節點由協調器充當。傳感器節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境參數，并將采集到的信息通過ZigBee網絡傳送到協調器中；協調器初始化信道、網絡的IP地址，處理各個子節點的入網請求，并將數據信息經串口協議傳到ZigBee網關；網關實現GPRS、上位機與無線傳感器網絡的連接與交互；路由節點負責節點間數據包的傳送，上傳傳感器節點發送給協調器的數據包，處理子節點的入網請求等，通過GPRS實現數據信息的存儲與管理。

2硬件系統的整體設計

21傳感器選型

為實現棉田的合理精確灌溉，系統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。綜合考慮系統設計和網絡節點功耗低的要求，土壤水分檢測選用Decagon公司生產的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。空氣溫濕度測量選用DHT22數字溫濕度傳感器，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定地反映土壤的含水量和空氣的溫濕度。

22網絡通信模塊的設計

ZigBee無線網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模塊、增強型8051內核處理器、靜態隨機存儲器（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，適用于環境復雜的農田。

23傳感器節點硬件設計

傳感器節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電磁閥控制節點硬件設計

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

25網關硬件設計

無線傳感網絡的網關硬件采用意法半導體（ST）公司生產的高性能MCU-STM32F103C8T6芯片。在組建微控制單元（micro controller unit，簡稱MCU）網關系統時，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、協調器模塊以及繼電器模塊等[8]（圖4）。

系統的軟件設計主要分為傳感器節點程序、電磁閥控制節點和網關節點程序的設計。

31傳感器節點程序設計

傳感器節點應用層的程序設計主要實現網絡底層的各個驅動程序調用、數據信息的定時采集、數據包的壓縮并傳送、數據包的接收并解析等。設計思路為節點通電后會自動加入到由協調器組建的ZigBee無線網絡中，并獲取屬于自己的短地址；節點初始化以后將定時采集農田的數據信息，并將自身的設備號、數據包號和數據參數聚成數據包，傳送給協調器，協調器接收到數據包后將其解析，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，同時定時監測田間數據（圖5）。

32電磁閥控制節點程序設計

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

33網關軟件程序設計

331ZigBee協調器的程序

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

332STM32控制器的程序

網關硬件通電后，將應用程序初始化，協調器組建無線網絡，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聽網絡，等待無線網絡和以太網分別發送來的數據，并判斷數據是從什么網絡中傳來的，若是以太網傳來的命令，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]；若是無線網絡傳來的數據，則調用GPRS模塊發送信息給遠程終端（圖7）。

34棉田滴灌系統上位機的軟件設計

上位機控制中心采用高級語言C++，基于TCP/IP協議進行開發，通過串口實現與網關的通信，以實現歷史數據的查看與存儲、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。實現因特網與網關的通信，接收并顯示每個節點的具體數據。

4系統試驗

41節點通信距離測試

無線傳感器網絡的有效通信距離直接影響著整個網絡的覆蓋范圍[11]。農場棉田中，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，因而節點需具有較大的發射功率，才能保證理想的通信距離。本研究分別在空曠地區和棉花田中測試節點的有效通信距離，設置的節點高度分別為03、06、12 m，設置發射功率為節點最大值21 dBm，射頻功率設定在24 GHz頻段。每隔5 s定時傳送節點所采集的數據信息，并通過上位機來觀察節點處于不同位置時，數據包能否正確傳達，當能正確傳達時增加收發距離。當協調器處于收發不穩定時，應用激光測距儀檢測2個節點間的直線距離，重復檢測多次，取其平均值，經過測試節點的高度為 12 m 時，其通信距離最遠。測得節點的最大有效通信距離如表1所示。

42節點感知精度測試

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點處同時檢測濕度和溫度，與EC-5和DHT22傳感器在節點處的實測值進行比較。測試結果表明，節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，節點溫度實測值與水銀溫度計測量值的逐時變化。

43節點功耗測試

采樣電阻電壓的方法進行節點功耗測量[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，再依據各狀態電流I以及持續時間t，經過功耗計算公式測得節點每周期所消耗的電量。測量的結果顯示，節點系統的休眠電流為007 mA，信息采集時的電流為112 mA，發射時的電流為126 mA。依據功耗公式，以每30 min為1次測量周期，節點消耗的電量為6 mA·h/d，則使用3 000 mA·h的37 V電池串聯能夠使無線傳感器網絡的節點持續工作時間達到 500 d，這符合系統低功耗的要求。節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分別為節點的休眠電流、采集電流、發射狀態電流。

44系統的整體測試

本研究將設計的節點系統于石河子農業科技園區（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個節點，其中包括1個協調器節點、4個傳感器節點、4個電磁閥節點、1個路由器節點。其中節點3和節點4距離協調器較遠，需要通過路由器節點進行中轉。

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

45網絡的丟包率測試

傳感器節點依據土壤含水率的采集方式，設定采集周期為20 min，采用節點休眠喚醒機制，連續監測7 d，測試的結果如表2所示。由表2可知，整個網絡的平均丟包率為 275%，此系統網絡傳輸比較穩定可靠。

5結束語

本研究設計以ZigBee無線傳感器網絡為核心的節水灌溉系統。傳感器節點以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數字溫濕度傳感器及外圍電路作為傳感器模塊，此系統的各節點能夠自組網，形成自愈型網狀網絡，在棉田間節點的有效通信距離達825 m。通過試驗結果可知，整個網絡的平均丟包率僅為275%。綜上所述，該系統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，實現節水灌溉的目的。

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