節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用

趙 哲

（新疆博樂(lè)塔拉蒙古自治州第五師九〇團(tuán)，新疆 博樂(lè) 833409）

節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用

趙 哲

（新疆博樂(lè)塔拉蒙古自治州第五師九〇團(tuán)，新疆 博樂(lè) 833409）

文章詳細(xì)介紹了ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成和設(shè)計(jì)理念，對(duì)節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討。ZigBee技術(shù)具有成本低、功耗小、組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)在灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用ZigBee技術(shù)，可以有效降低灌溉用水，將灌水量控制在可以促進(jìn)作物增長(zhǎng)的范圍中。

節(jié)水灌溉;系統(tǒng)設(shè)計(jì);ZigBee技術(shù);應(yīng)用

當(dāng)前，水資源正逐漸成為一種稀缺的資源。在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，如何節(jié)約灌溉用水已經(jīng)成為當(dāng)前需要解決的一個(gè)主要問(wèn)題。目前，我國(guó)智能化節(jié)水灌溉還處于發(fā)展初期，在數(shù)據(jù)通信方面還存在一定的困難，雖然一些大型農(nóng)場(chǎng)使用GPRS模塊進(jìn)行交互，并取得了良好的應(yīng)用效果，但是這種通信方式的推廣費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用均比較高。在這種情況下，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被研發(fā)出來(lái)，它不僅具有良好的節(jié)水效果，并且組網(wǎng)方便，施工成本低。

1 ZigBee技術(shù)概況

ZigBee技術(shù)是一種比較新型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的通訊距離比較靈活，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效距離為75m。盡管ZigBee技術(shù)通信距離有限，但是它的擴(kuò)展空間比較廣，它的整個(gè)系統(tǒng)由許許多多的無(wú)線小部分構(gòu)成，數(shù)量可以達(dá)到幾萬(wàn)個(gè)，該技術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建比較方便、使用比較便捷，工作質(zhì)量效率非常高，但是成本投入也比較高。要想使ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化輸送，與造價(jià)較高的基站移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)比較，ZigBee技術(shù)基站的投入僅僅是它的千分之一，前者的投入大約幾百萬(wàn)元，而后者的投入僅是幾百元而已。

ZigBee技術(shù)通信協(xié)議是一個(gè)新研發(fā)的項(xiàng)目，它最主要的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)便，該協(xié)議又非常完整，包含的內(nèi)容非常緊密，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的過(guò)程中非常簡(jiǎn)便，技術(shù)含量也比較少，處理器為64KB的RAM和8個(gè)4KB的ROM構(gòu)成，這樣投入的成本就是較少。該技術(shù)對(duì)ZigBee的介質(zhì)訪問(wèn)層和物理層進(jìn)行了核準(zhǔn)定義，增加了介質(zhì)訪問(wèn)子層的功能，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)技術(shù)里要求要有無(wú)線通道，系統(tǒng)發(fā)出命令以后，介質(zhì)訪問(wèn)子層就會(huì)工作。還要解決好信道的接入問(wèn)題，發(fā)生信道沖突的時(shí)候，要實(shí)施有效控制，網(wǎng)絡(luò)所發(fā)出的信號(hào)以頓為單位，介質(zhì)訪問(wèn)層的作用就是校對(duì)頓的精準(zhǔn)度，假如信號(hào)發(fā)送失敗，系統(tǒng)就會(huì)再次發(fā)送。

物理層包括了頻譜為 915MHz、868 MHz和2.4GHz的三個(gè)工作頻段，然而網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建需要實(shí)現(xiàn)完整性，僅對(duì)介質(zhì)訪問(wèn)層和物理層進(jìn)行定義是不全面的，不但要實(shí)現(xiàn)自身網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信暢通，還要確保與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)有效連接，使用ZigBee技術(shù)可以很好的解決這一問(wèn)題，ZigBee技術(shù)在802.15.4之上構(gòu)建應(yīng)用層框架和網(wǎng)絡(luò)層［1］。

ZigBee技術(shù)與哪些設(shè)備實(shí)施通信是應(yīng)用層框架的主要內(nèi)容，拓展應(yīng)用可以有效做好后臺(tái)支持工作，部分研發(fā)技術(shù)廠商還會(huì)自己拓展ZigBee技術(shù)的部分構(gòu)件。網(wǎng)絡(luò)層是給應(yīng)用層提供支持的，在通信的時(shí)候一定要有網(wǎng)絡(luò)接入口，還包括媒體介入有效控制子層，這樣可以實(shí)現(xiàn)操作的精準(zhǔn)度。

網(wǎng)絡(luò)層的主要構(gòu)成部分包括管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)兩個(gè)實(shí)體，這兩個(gè)實(shí)體只是概念上的服務(wù)實(shí)體。所有的ZigBee技術(shù)節(jié)點(diǎn)連接的傳感器都是為采集信息而服務(wù)的，同時(shí)還要承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)信息的任務(wù)，所有的信息都是經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸?shù)?，組網(wǎng)的方式有很多，例如星狀、樹(shù)狀或者是網(wǎng)狀。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

ZigBee射頻單片機(jī)是智能節(jié)水灌溉體系的核心內(nèi)容，它合理的使用了自動(dòng)化控制技術(shù)和GPRS無(wú)線技術(shù)，采集了光照強(qiáng)度、濕度和溫度的有效信息，借助ZigBee技術(shù)將采集的信息傳輸給遠(yuǎn)程終端設(shè)備，借助GPRS無(wú)線技術(shù)將信息傳輸?shù)絠nternet上，在需要的時(shí)候還可以傳輸給移動(dòng)電話，還可以將接收的信息經(jīng)過(guò)串口輸送到ZigBee中進(jìn)行處理［2］。電磁閥是自動(dòng)化控制灌溉體系的核心部分，借助ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌溉，也可以設(shè)定條件實(shí)現(xiàn)灌溉，如圖1所示。

圖1 ZigBee智能節(jié)水灌溉體系

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

3.1 設(shè)計(jì)ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件

構(gòu)成較小局域網(wǎng)的主要組成部分就是ZigBee節(jié)點(diǎn)，它在系統(tǒng)里承擔(dān)著重要的作用，例如自動(dòng)控制、信息交換等等，ZigBee節(jié)點(diǎn)包括ZigBee底板和ZigBee核心板。

（1）ZigBee底板。該底板主要包括電源和采集數(shù)據(jù)兩個(gè)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器、電阻以及繼電器等等，它的主要性能就是隨時(shí)收集四周環(huán)境的溫度和濕度、日光照射強(qiáng)度和電磁閥開(kāi)關(guān)控制等。繼電器掌控電磁閥電源開(kāi)關(guān)，如圖2所示。電磁閥通電以后，鐵芯向上移動(dòng)還會(huì)帶動(dòng)密封塞向上運(yùn)動(dòng)，這樣就可以使水流順利的流過(guò)［3］?？梢允褂肈HT11型、HS11011型或者是DS18B20型溫度傳感器來(lái)搜集溫度和濕度，簡(jiǎn)單的單總線通過(guò)一個(gè)IPO端口承擔(dān)著DHT11型傳感器和單片機(jī)之間的通信。內(nèi)部溫濕度可以通過(guò)傳感器傳遞給單片機(jī)，使用校驗(yàn)的方法來(lái)檢測(cè)傳輸?shù)男畔ⅲ@樣可以有效的提升信息的精準(zhǔn)度，該傳感器比較節(jié)能，工作的電壓為5V，最大電流值為1mA，光敏電阻組成的采集電路來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的光照強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)對(duì)阻值的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)電壓的供應(yīng)，搜集的模擬信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息可以通過(guò)ZigBee的ADC實(shí)現(xiàn)［4］。AMS1117組成了電源模塊，外接5V電源借助AMS1117 3.3穩(wěn)壓芯片將其轉(zhuǎn)化成可以使用的3.3V;也可以外接9V的干電池經(jīng)過(guò)兩次有效轉(zhuǎn)化使其轉(zhuǎn)化成可以使用的3.3V。

圖2 繼電器電路示意圖

（2）ZigBee核心板。它的主要性能就是處理信息和無(wú)線通信，包括PCB天線和CC2530芯片，如圖3所示。CC2530芯片主要包括收發(fā)器、MCU、USART、IPO引腳以及ADC等等。該核心板工作的時(shí)候，電壓為3.3V，電流的耗損在30mA以內(nèi)。射頻天線和ZigBee射頻（RF）前端構(gòu)成了無(wú)線通信系統(tǒng)，射頻天線使用的是PCB天線，該天線成本比較低，性能較好，發(fā)射頻率的有效值為2.4GHz。

圖3 ZigBee核心板結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 設(shè)計(jì)ZigBee節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

ZigBee可以使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)有3種，即網(wǎng)狀、樹(shù)狀和星狀，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和星型的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它的總長(zhǎng)度不長(zhǎng)、投入不高，且節(jié)點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)有效拓展［5］。

3.3 設(shè)計(jì)ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件

ZigBee節(jié)點(diǎn)包括協(xié)調(diào)器、路由以及終端等3個(gè)節(jié)點(diǎn)，硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候依據(jù)不同的需要來(lái)完成，配合軟件功能來(lái)不斷實(shí)現(xiàn)其他性能。

（1）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。主要負(fù)責(zé)電初始化，創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行初始化，接著設(shè)置網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息，是不是需要進(jìn)行傳輸過(guò)程確定，接著傳輸初始化射頻，最后將需要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行編寫(xiě)。

（2）路由節(jié)點(diǎn)。它的主要性能包括傳輸信息、搜集與終端點(diǎn)一樣性能的信息以及有效的執(zhí)行協(xié)調(diào)器傳輸?shù)拿睢Ｂ酚晒?jié)點(diǎn)要對(duì)各硬件設(shè)備進(jìn)行初始化處理，對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，這樣可以確保節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)的搜集信息和傳輸信息;接著進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)信息的接收，有效判斷接收到信息是否及時(shí)、準(zhǔn)確，依據(jù)接收到的信息來(lái)判斷信息的來(lái)源，查看信息是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)?，還是路由器轉(zhuǎn)發(fā)或者是終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)?，判斷正確以后并制定相應(yīng)的解決策略［6］，例如是執(zhí)行命令還是傳輸信息。此外，可以設(shè)置一定的周期，定時(shí)的獲取相關(guān)信息。具體情況如圖4所示。

圖4 路由節(jié)點(diǎn)流程圖

（3）終端節(jié)點(diǎn)。主要是負(fù)責(zé)信息搜集和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)指令。主要流程如圖5所示。

3.4 GPRS模塊

ZigBee控制 GPRS模塊時(shí)借助串口來(lái)實(shí)現(xiàn)，GPRS輸送協(xié)議的時(shí)候借助TCP來(lái)實(shí)現(xiàn)，并將信息傳輸給inter-net。網(wǎng)絡(luò)信息輸送層協(xié)議指的是TCP，它的可靠性超強(qiáng)，還具備比較成熟的流量管理體系［7］。ZigBee控制GSM也是經(jīng)過(guò)串口實(shí)現(xiàn)的，可以將有效的信息傳輸給指定的手機(jī)客戶端。如果GSM接收到有用信息也會(huì)借助串口傳輸給ZigBee，并作出相應(yīng)的解決策略。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)流程示意圖

4 上位機(jī)的作用

該系統(tǒng)的核心控制體系為上位機(jī)，它是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的核心內(nèi)容，主要的性能為:對(duì)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)有效控制，將監(jiān)控環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的實(shí)時(shí)溝通［8］。上位機(jī)接收信息也是經(jīng)過(guò)串口實(shí)現(xiàn)的，依據(jù)獲取的信息做有效的處理，當(dāng)溫度、濕度達(dá)到一定的數(shù)值以后，可以借助串口將命令傳輸給ZigBee節(jié)點(diǎn)將電磁閥斷開(kāi)實(shí)施灌溉，也可以使用手動(dòng)的辦法來(lái)下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)灌溉。上位機(jī)可以通過(guò)internet獲取信息并形成電子表格，這樣用戶就會(huì)比較直觀的掌握四周環(huán)境的變化。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，使用ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)可以在小范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)線互聯(lián)，不需要進(jìn)行布線，施工成本低，由于無(wú)線節(jié)點(diǎn)安裝便利、對(duì)其進(jìn)行更換也很簡(jiǎn)單，具有良好的實(shí)用性。此外，使用GPRS可以將信息遠(yuǎn)程發(fā)送給手機(jī)用戶，并利用互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)，在降低成本和能耗的同時(shí)，提高灌溉水的使用率，提高農(nóng)業(yè)管理水平。

［1］徐世武，王平，等．基于ZigBee節(jié)點(diǎn)的自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］．電子測(cè)量技術(shù)，2010（10）:111-114．

［2］李祥林，胡玫，李穎．基于ZigBee的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)［J］．蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2011（03）:11-17．

［3］秦雙龍，趙海峰．基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)［J］．電氣自動(dòng)化，2012（03）:18-20．

［4］李繼杰．節(jié)水灌溉技術(shù)和理念構(gòu)建分析［J］．水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（03）:56-57．

［5］曹永生．景泰縣高效節(jié)水灌溉示范項(xiàng)目水資源平衡分析［J］．水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（10）:121-122．

［6］李曉花．農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（03）:46-47．

［7］趙曉敏，李本懷．長(zhǎng)春市農(nóng)田水利建設(shè)及節(jié)水灌溉研究［J］．水利技術(shù)監(jiān)督，2013（03）:76-77．

［8］陳臣．金溝河農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉對(duì)流域水資源配置影響與對(duì)策［J］．水利技術(shù)監(jiān)督，2012（02）:37-38．

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1008-1305（2015）06-0011-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2015.06.005

趙 哲（1977年—），男，工程師。