基于ZigBee?GPRS的土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡小俊　趙濟(jì)景

摘 要： 隨著現(xiàn)代無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展和普及，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用逐漸成熟。在此利用ZigBee 組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS 無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)成大范圍遠(yuǎn)程溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行了硬件和軟件的相關(guān)設(shè)計(jì)，并仿真驗(yàn)證其合理性和可實(shí)現(xiàn)性。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)土壤墑情的自動(dòng)檢測(cè)和智能化節(jié)水灌溉，有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： GPRS； 土壤墑情檢測(cè)； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 硬件系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0059?03

0 引 言

水資源是人類賴以生存的生命線，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，節(jié)約用水，既是關(guān)系人口、資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略，也是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)緊迫任務(wù)[1]。我國(guó)用于農(nóng)業(yè)灌溉的用水量占總用水量的75%，但其利用率只有45%，因此提高農(nóng)業(yè)灌溉用水率有助于緩解水資源緊缺。此外，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式大型化、集約化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)為推廣全面、統(tǒng)一、大型的自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)提供了必要條件，因此本文提出一種可以實(shí)時(shí)檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)土壤墑情信息各項(xiàng)指標(biāo)并進(jìn)行智能化灌溉的遠(yuǎn)程土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)加GPRS的組網(wǎng)方式

根據(jù)文獻(xiàn)[3?4]中對(duì)灌溉控制系統(tǒng)控制模式優(yōu)劣的總結(jié)，以及對(duì)農(nóng)田檢測(cè)對(duì)象特點(diǎn)的詳細(xì)分析，同時(shí)考慮到現(xiàn)有通信方式的技術(shù)特點(diǎn)、可行性和成本，本文提出了由GPRS網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳送ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)匯總的溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸方式。設(shè)計(jì)中采用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)喚醒ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方式，有效地減少了子節(jié)點(diǎn)向總節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生的沖突并降低了節(jié)點(diǎn)功耗，同時(shí)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸總結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的方式，不但可以降低使用GPRS傳輸每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本，而且使整個(gè)系統(tǒng)變得更加靈活、易推廣[3]。

1.2 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)模型

本文提出的由ZigBee和GPRS組網(wǎng)方式的采集系統(tǒng)是由大量無(wú)線傳感器主節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)和GPRS傳輸模塊組成的分布式信息采集系統(tǒng)，主節(jié)點(diǎn)具有與所連接子節(jié)點(diǎn)通信、匯聚數(shù)據(jù)、發(fā)布控制命令和通信路由的作用，子節(jié)點(diǎn)只有采集處理數(shù)據(jù)、接收命令和傳輸數(shù)據(jù)的作用[5]。系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間采用樹狀結(jié)構(gòu)連接，子節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的信息通過轉(zhuǎn)發(fā)最終傳輸給總節(jié)點(diǎn)，再通過GPRS模塊傳輸至網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理。其無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用IEEE 802.15.4的ZigBee通信協(xié)議及GPRS無(wú)線通信協(xié)議，依據(jù)農(nóng)田墑情設(shè)定的主要檢測(cè)項(xiàng)目包括：土壤溫度及土壤濕度（以后需要時(shí)還可以檢測(cè)土壤的PH值、空氣的溫濕度、降雨量等），系統(tǒng)工作流程是ZigBee子節(jié)點(diǎn)采集處理溫濕度信息并發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)將收集到的信息和自身采集到的溫濕度信息轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee主節(jié)點(diǎn)，由ZigBee主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央信息控制中心，經(jīng)分析處理發(fā)布灌溉命令實(shí)施智能灌溉。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境要求節(jié)點(diǎn)必須低功耗而且面積盡可能小，因此選擇可以工作在多個(gè)功耗模式、工作電壓為3.3 V的MSP430F149。它不僅空閑時(shí)最低功耗模式能耗極小，而且是TI公司為結(jié)合ZigBee應(yīng)用而特別設(shè)計(jì)和推薦的[6]。圖2為土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。同時(shí)，為彌補(bǔ)MSP430F149存儲(chǔ)空間小的不足，采用低功耗、工作電壓范圍大的E2PROM 存儲(chǔ)器24C02來(lái)擴(kuò)展內(nèi)存，它采用I2C總線的工作方式[5]。

節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸質(zhì)量要求較高，能耗也相對(duì)較大，采用Chipcon 公司出品的ZigBee 專用射頻芯片CC2420，其性能穩(wěn)定、工作電壓僅1.8 V、多種工作模式、睡眠時(shí)能耗極低、喚醒時(shí)間短、功耗低[9]。

由于土壤溫濕度精確度不要求很高，系統(tǒng)可以適當(dāng)?shù)慕档蛡鞲衅鞯木纫怨?jié)約成本，選用集成度較高和輸出數(shù)字信號(hào)中方便好用的SHT10型溫濕度傳感器。為了保障整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，供電部分必須設(shè)計(jì)合理可靠，系統(tǒng)所需的電源，只有+12 V和+3.3 V，分別用于電磁閥、傳感器和單片機(jī)所需電源的供應(yīng)，因此電源的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，+3.3 V主要由穩(wěn)壓芯片構(gòu)成的相關(guān)電路構(gòu)成，+12 V直接采用太陽(yáng)能電池板和蓄電池。此在程序運(yùn)行過程中能夠很好的實(shí)現(xiàn)電能的收支平衡。

系統(tǒng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)主要用于檢測(cè)土壤墑情、智能灌溉并組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，主節(jié)點(diǎn)除此功能之外還附帶有與GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的GPRS模塊。由上述硬件的選用及各模塊的組成而設(shè)計(jì)系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)的硬件框圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)必須保證每個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)能夠正常的采集和處理溫濕度數(shù)據(jù)并控制電磁閥的開關(guān)，再將其作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成無(wú)線通信和數(shù)據(jù)采集等[9]。圖4為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖，下位機(jī)將采集的信息通過GPRS模塊傳輸給數(shù)據(jù)服務(wù)器，由服務(wù)器上運(yùn)行的控制程序通過TCP/IP數(shù)據(jù)端口監(jiān)聽傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過TCP/IP協(xié)議解析獲得所需的數(shù)據(jù)，再把這些數(shù)據(jù)通過上位機(jī)后臺(tái)程序?qū)懙较鄳?yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)里面[10]。

另外，整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中最重要的就是傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建，ZigBee協(xié)議棧初始化之后開始組網(wǎng)：首先設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的PAN ID、協(xié)調(diào)器的短地址并選擇信道來(lái)向周圍的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)幀用以尋求設(shè)備同步；其次，在子節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器廣播的信標(biāo)幀時(shí)得到協(xié)調(diào)器的地址和信道，通過此信息便可申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，與此同時(shí)，父節(jié)點(diǎn)會(huì)給它分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，通過以上過程，即可完成系統(tǒng)組網(wǎng)。

圖4 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

傳感器網(wǎng)絡(luò)是有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，子節(jié)點(diǎn)正常工作是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵所在，ZigBee主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以通過現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，因此在此只需對(duì)土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真即可。

仿真中MSP430F149通過比較采集到的溫濕度的漏點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，從而做出判斷是否應(yīng)該澆灌。仿真中分別選取土壤墑情中的兩種狀態(tài)即應(yīng)該澆水和不應(yīng)該澆水，給溫濕度傳感器設(shè)定相應(yīng)的溫濕度值，由運(yùn)行結(jié)果分析可知，在相應(yīng)的環(huán)境下，ZigBee子節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)采集到的溫濕度值做出判斷，智能的開啟或關(guān)閉電磁閥來(lái)正確控制是否進(jìn)行灌溉，同時(shí)，子節(jié)點(diǎn)的正常工作可為系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供有力保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文就智能灌溉農(nóng)作物方面提出了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS的土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確檢測(cè)影響土壤墑情的水分和溫度，并根據(jù)土壤溫濕度實(shí)現(xiàn)智能灌溉。主要提出了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、組網(wǎng)方案、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并完成了仿真調(diào)試。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可以在很大程度上提高土壤墑情檢測(cè)控制能力和實(shí)現(xiàn)智能灌溉，同時(shí)，采用ZigBee和GPRS的無(wú)線組網(wǎng)方案使系統(tǒng)變的更加靈活，便于推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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4 系統(tǒng)調(diào)試

傳感器網(wǎng)絡(luò)是有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，子節(jié)點(diǎn)正常工作是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵所在，ZigBee主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以通過現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，因此在此只需對(duì)土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真即可。

仿真中MSP430F149通過比較采集到的溫濕度的漏點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，從而做出判斷是否應(yīng)該澆灌。仿真中分別選取土壤墑情中的兩種狀態(tài)即應(yīng)該澆水和不應(yīng)該澆水，給溫濕度傳感器設(shè)定相應(yīng)的溫濕度值，由運(yùn)行結(jié)果分析可知，在相應(yīng)的環(huán)境下，ZigBee子節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)采集到的溫濕度值做出判斷，智能的開啟或關(guān)閉電磁閥來(lái)正確控制是否進(jìn)行灌溉，同時(shí)，子節(jié)點(diǎn)的正常工作可為系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供有力保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文就智能灌溉農(nóng)作物方面提出了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS的土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確檢測(cè)影響土壤墑情的水分和溫度，并根據(jù)土壤溫濕度實(shí)現(xiàn)智能灌溉。主要提出了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、組網(wǎng)方案、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并完成了仿真調(diào)試。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可以在很大程度上提高土壤墑情檢測(cè)控制能力和實(shí)現(xiàn)智能灌溉，同時(shí)，采用ZigBee和GPRS的無(wú)線組網(wǎng)方案使系統(tǒng)變的更加靈活，便于推廣應(yīng)用。

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4 系統(tǒng)調(diào)試

傳感器網(wǎng)絡(luò)是有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，子節(jié)點(diǎn)正常工作是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵所在，ZigBee主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以通過現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，因此在此只需對(duì)土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真即可。

仿真中MSP430F149通過比較采集到的溫濕度的漏點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，從而做出判斷是否應(yīng)該澆灌。仿真中分別選取土壤墑情中的兩種狀態(tài)即應(yīng)該澆水和不應(yīng)該澆水，給溫濕度傳感器設(shè)定相應(yīng)的溫濕度值，由運(yùn)行結(jié)果分析可知，在相應(yīng)的環(huán)境下，ZigBee子節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)采集到的溫濕度值做出判斷，智能的開啟或關(guān)閉電磁閥來(lái)正確控制是否進(jìn)行灌溉，同時(shí)，子節(jié)點(diǎn)的正常工作可為系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供有力保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文就智能灌溉農(nóng)作物方面提出了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS的土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確檢測(cè)影響土壤墑情的水分和溫度，并根據(jù)土壤溫濕度實(shí)現(xiàn)智能灌溉。主要提出了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、組網(wǎng)方案、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并完成了仿真調(diào)試。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可以在很大程度上提高土壤墑情檢測(cè)控制能力和實(shí)現(xiàn)智能灌溉，同時(shí)，采用ZigBee和GPRS的無(wú)線組網(wǎng)方案使系統(tǒng)變的更加靈活，便于推廣應(yīng)用。

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