基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭國(guó)法　許萌　張開生

摘要：針對(duì)當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率低下的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了1套基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ZigBee WSN）的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)通過田間數(shù)據(jù)采集終端采集土壤墑情信息，經(jīng)ZigBee WSN傳送至上位機(jī)系統(tǒng)，由上位機(jī)分析并作出相應(yīng)的灌溉決策，繼而命令相應(yīng)的灌溉設(shè)備實(shí)施灌溉作業(yè)。通過引入傳感器權(quán)值自適應(yīng)融合算法，在一定程度上提升了系統(tǒng)的決策精度和決策合理性。仿真驗(yàn)證表明，傳感器權(quán)值自適應(yīng)融合算法能夠明顯地降低系統(tǒng)獲取信息的冗余性、矛盾性、不確定性，從而較好地提升了系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；節(jié)水灌溉；數(shù)據(jù)融合；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： S126；S274.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）11-0513-06

收稿日期：2014-11-07

基金項(xiàng)目：陜西省西安市科技局項(xiàng)目[編號(hào)：CXY1343（6）]；陜西省西安市未央?yún)^(qū)科技局項(xiàng)目（編號(hào)：2012-03）。

作者簡(jiǎn)介：郭國(guó)法（1962—），男，山西陵川人，碩士，教授，研究方向?yàn)殡姎饪刂?。E-mail：849738384@qq.com。

通信作者：許萌，碩士，研究方向?yàn)榍度胧轿锫?lián)網(wǎng)。E-mail：sine1991@foxmail.com。目前，我國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)的農(nóng)業(yè)依舊處于粗獷型經(jīng)營(yíng)管理方式之下，科技含量和自動(dòng)化程度普遍偏低，這不僅大大地制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且造成了各種資源的極大浪費(fèi)。就農(nóng)業(yè)灌溉而言，我國(guó)普遍采用落后的大水漫灌方式，加上灌溉設(shè)施的老化、損毀和缺乏科學(xué)的灌溉量化指標(biāo)，致使相當(dāng)一部分的灌溉用水在灌溉過程中損耗[1]。研究表明，我國(guó)灌溉用水的有效利用率僅為40%左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家70%～80%的水平。這種高消耗、低效率的灌溉方式已成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的瓶頸之一[2]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀，本研究設(shè)計(jì)了1種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由田間數(shù)據(jù)采集終端、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)系統(tǒng)、灌溉執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及遠(yuǎn)程控制終端（可選）組成（圖1）。其中，上位機(jī)系統(tǒng)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取田間數(shù)據(jù)采集終端所監(jiān)測(cè)到的土壤墑情信息，并結(jié)合不同的作物種類以及作物生長(zhǎng)階段，分析和制訂出不同的灌溉方案，達(dá)到合理調(diào)配水源、提高水源利用率的目的。上位機(jī)系統(tǒng)可以通過與Internet之間的聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端對(duì)系統(tǒng)的控制，用戶可使用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或手持設(shè)備（智能手機(jī)、掌上電腦等）通過Internet方便地操控系統(tǒng)[1-2]，提升了系統(tǒng)使用的靈活性和便利性。同時(shí)，在土壤墑情數(shù)據(jù)的采集過程中引入數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以顯著增強(qiáng)和提升系統(tǒng)在野外惡劣工況下對(duì)噪聲的抵御能力和監(jiān)測(cè)精度，使得系統(tǒng)具有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為以下3種類型：星型（Star）網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)型（Mesh）網(wǎng)絡(luò)、樹簇型（Cluster Tree）網(wǎng)絡(luò)。其中網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)的各路由節(jié)點(diǎn)之間彼此建立對(duì)等連接，終端節(jié)點(diǎn)的信息可通過多條不同的路由到達(dá)協(xié)調(diào)器（圖2）。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅可以有效地均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，而且具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)自愈能力，即使某個(gè)路由器發(fā)生故障，數(shù)據(jù)也可通過其他路由器送達(dá)目的地。此外，網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠自動(dòng)感測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓⒄{(diào)整通信路由以獲取最有效的傳輸路徑，且整個(gè)過程無需人工干預(yù)。最后，得益于網(wǎng)絡(luò)中眾多的路由節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)可以用較低的功率將數(shù)據(jù)發(fā)送到鄰近路由節(jié)點(diǎn)，從而降低了節(jié)點(diǎn)之間的干擾，提高了信道的質(zhì)量和利用率。綜上，網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫禽^為理想的選擇。

2.2無線收發(fā)芯片的選型

系統(tǒng)采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2530無線收發(fā)芯片。該芯片是一顆專為2.4 GHz IEEE802.15.4以及ZigBee應(yīng)用而設(shè)計(jì)的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案?；谠撔酒?，可以用比較低廉的成本搭建起各類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，只需極少的外圍元件便可確保短距離通信的有效性和可靠性。因此，系統(tǒng)中的終端、路由和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)均基于CC2530芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。CC2530集優(yōu)越的RF收發(fā)性能、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 kB RAM等優(yōu)秀特性于一體，并兼具多種工作模式，使其尤為適合對(duì)功耗有著苛刻要求的系統(tǒng)。芯片傳輸數(shù)據(jù)率最高可達(dá)250 kb/s，可以滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)率的要求。且使用該芯片組成的設(shè)備具有體積小、功耗低，組網(wǎng)靈活、抗毀壞性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地適應(yīng)野外復(fù)雜多變的工作環(huán)境。

2.3數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，通常有全功能設(shè)備（FFD）和簡(jiǎn)化功能設(shè)備（RFD）2種類型的設(shè)備。由于數(shù)據(jù)采集終端只進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，無需承擔(dān)額外的路由轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，因此可將數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)設(shè)置為RFD類型，以降低設(shè)備成本和功耗。

終端節(jié)點(diǎn)的原理是外部晶振為CC2530芯片的工作提供基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，射頻天線與CC2530之間的LC網(wǎng)絡(luò)則用于阻抗匹配[3]，傳感器與CC2530相連接，并由CC2530完成A/D轉(zhuǎn)換（圖3）。由于終端節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)間可以進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)（PM3模式），僅在工作時(shí)由外部定時(shí)器產(chǎn)生中斷將其喚醒至正常工作狀態(tài)（PM0模式），因此功耗極低，僅靠2節(jié)串聯(lián)的5號(hào)1.5 V干電池即可維持設(shè)備正常工作至少半年以上。

2.4路由節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

由于路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)眾多終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由的維持和發(fā)現(xiàn)，因此路由節(jié)點(diǎn)的工作負(fù)荷較重，應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)備性能而非設(shè)備功耗，故將路由節(jié)點(diǎn)設(shè)置為FFD設(shè)備類型，其硬件架構(gòu)與圖3所示的數(shù)據(jù)采集終端基本一致，只是去除傳感器和外部定時(shí)器部分并改變芯片供電方式。由于優(yōu)先考慮設(shè)備性能，因此路由節(jié)點(diǎn)采用較為穩(wěn)定的太陽能電池板加蓄電池的供電方式：當(dāng)日間陽光較強(qiáng)時(shí)，通過太陽能電池對(duì)設(shè)備供電，同時(shí)將多余電能存儲(chǔ)到蓄電池；當(dāng)光線不足時(shí)，則使用蓄電池供電[1-3-4]。為防止過度充電對(duì)蓄電池帶來的損害，系統(tǒng)采用CN3063充電管理芯片對(duì)充電過程進(jìn)行管控（圖4）。此外，針對(duì)某些路由節(jié)點(diǎn)距離協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)這一實(shí)際情況，

在這些路由節(jié)點(diǎn)上額外配備了CC2592射頻前端（RF Front）芯片以擴(kuò)展通信范圍（圖5）。

2.5協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，至少存在1個(gè)FFD設(shè)備充當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通常負(fù)責(zé)開始（建立）1個(gè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立完成之后，協(xié)調(diào)器一般會(huì)作為一個(gè)普通的路由節(jié)點(diǎn)而

繼續(xù)存在于網(wǎng)絡(luò)中。因此，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)與路由節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)基本一致，其主要不同之處在于協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)將來自于各終端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過RS-232串行口傳送至上位機(jī)[5]?？紤]到RS-232接口與CC2530所使用的邏輯電平之間并不兼容，故需進(jìn)行必要的電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片（圖6）。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用IAR Workbench 7.0進(jìn)行ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各類型節(jié)點(diǎn)的軟件部分設(shè)計(jì)。由于各節(jié)點(diǎn)之間的通訊遵循TI公司推出的Z-Stack 2007通訊協(xié)議棧，故所有節(jié)點(diǎn)軟件均在Z-Stack 2007所提供的SampleApp程序框架之下進(jìn)行設(shè)計(jì)，以降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期。

3.1數(shù)據(jù)采集終端程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端完成初始化設(shè)置之后，隨即加入到ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并執(zhí)行定時(shí)采集和發(fā)送土壤墑情信息的任務(wù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集終端對(duì)土壤墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并向父級(jí)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送完成之后，即可進(jìn)入休眠模式（PM3）以節(jié)省電池電力（圖7）。待下一采樣時(shí)刻來臨時(shí)，通過來自于定時(shí)器的外部中斷信號(hào)將節(jié)點(diǎn)從休眠模式中喚醒至正常工作狀態(tài)（PM0），執(zhí)行新一輪的采集和發(fā)送任務(wù)[6]。

3.2路由節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)通過多跳路由將來自于各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，對(duì)于來自于其他路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，還應(yīng)視情況進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)或廣播。此外，路由節(jié)點(diǎn)還擔(dān)負(fù)著路由的發(fā)現(xiàn)和維持任務(wù)，因此路由節(jié)點(diǎn)的功能相對(duì)復(fù)雜。在系統(tǒng)所使用的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，存在多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，這些路由節(jié)點(diǎn)之間通過路由表和路由發(fā)現(xiàn)功能構(gòu)成了一個(gè)具有相當(dāng)穩(wěn)定性和較強(qiáng)自愈能力的無線網(wǎng)絡(luò)，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性（圖8）。

3.3協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立過程中，協(xié)調(diào)器在完成自身必要的硬件初始化工作以后，隨即初始化通訊協(xié)議棧并檢視當(dāng)前無線電環(huán)境，然后選擇一個(gè)可用的信道（Channel）和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)（PAN ID）并開始這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通常只允許有1個(gè)協(xié)調(diào)器（圖9）。在網(wǎng)絡(luò)建立完成之后，協(xié)調(diào)器將會(huì)以路由節(jié)點(diǎn)的身份繼續(xù)工作，所有終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯聚，并通過RS-232串口發(fā)送至上位機(jī)[4]。

3.4上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的控制、決策和管理中心。通過模式切換指令，上位機(jī)可以在自動(dòng)和人工2種模式之間自由切換。在自動(dòng)模式下，上位機(jī)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫程序和數(shù)據(jù)分析程序，對(duì)終端節(jié)點(diǎn)回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理：包括對(duì)灌溉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令控制[7]、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的融合、存儲(chǔ)及分析等（圖10）。通過信息反饋程序?qū)⑼寥缐勄閿?shù)據(jù)、系統(tǒng)工況等信息以圖表的形式直觀地顯示出來，方便用戶查看[8]。在人工模式下， 用戶可以通過本地或遠(yuǎn)程的方式登錄到系統(tǒng)并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視和干預(yù)，例如查看當(dāng)前系統(tǒng)工況，通過數(shù)據(jù)庫查詢作物生長(zhǎng)的歷史數(shù)據(jù)等（圖10）。登錄控制程序負(fù)責(zé)用戶鑒權(quán)，防止系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置遭受到來自管理員以外的人惡意修改。

4數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計(jì)

通常在一段時(shí)間內(nèi)，某一區(qū)域內(nèi)土壤的溫度或濕度會(huì)處于相對(duì)恒定的狀態(tài)，但由于戶外復(fù)雜的工作環(huán)境和傳感器制造過程中存在的工藝分散性，使得各傳感器之間的性能有所差異，導(dǎo)致多個(gè)數(shù)據(jù)采集終端在對(duì)同一區(qū)域的土壤墑情數(shù)據(jù)采集過程中，往往獲得多個(gè)不同的測(cè)量值。由于這些測(cè)量值之間的冗余、矛盾和不確定性，使系統(tǒng)難以獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象較為一致的描述，也給灌溉系統(tǒng)決策和規(guī)劃的正確性造成不利影響。為了減弱這種影響，本系統(tǒng)采用傳感器權(quán)值自適應(yīng)融合算法，在不增加系統(tǒng)成本的前提下，通過計(jì)算機(jī)程序?qū)ν槐粶y(cè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以提升系統(tǒng)的可靠性和精確度[9]。這種算法的優(yōu)勢(shì)在于：無需任何與傳感器有關(guān)的先驗(yàn)知識(shí)，僅依靠各傳感器測(cè)量方差的變化，動(dòng)態(tài)地調(diào)整各傳感器的權(quán)值，使得融合結(jié)果的整體均方誤差總是保持最小，避免了因先驗(yàn)知識(shí)不準(zhǔn)確而出現(xiàn)的融合精度降低甚至算法發(fā)散現(xiàn)象，而且較常規(guī)的算術(shù)平均值融合算法而言，該算法具有更高的融合精度。

4.1傳感器權(quán)值自適應(yīng)融合算法原理

假設(shè)用N個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)量某一真值為Y的被測(cè)對(duì)象，設(shè)每個(gè)傳感器的測(cè)量值分別為Yj （j=1，2，…，N） （圖11）。

綜上所述，傳感器權(quán)值自適應(yīng)權(quán)值融合算法的計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)可依照?qǐng)D12所示的流程進(jìn)行。

4.3算法仿真與分析

以測(cè)量土壤濕度為例，設(shè)有3個(gè)濕度傳感器同時(shí)測(cè)量某一區(qū)域的土壤濕度，設(shè)該區(qū)域的土壤濕度真值為23%相對(duì)濕度（在某一時(shí)段內(nèi)可認(rèn)為恒定），在此真值的基礎(chǔ)上分別加入均值為0，方差為0.1、0.3、0.5的高斯白噪聲序列， 用來模擬

3個(gè)具有不同測(cè)量精度的傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。利用計(jì)算機(jī)仿真100次融合過程，同時(shí)分析融合過程中傳感器權(quán)值隨傳感器方差的變化情況和融合輸出的結(jié)果。

傳感器的測(cè)量方差越大，其對(duì)應(yīng)的傳感器權(quán)值就越小，從而有效地避免了誤差較大的傳感器對(duì)融合精確度所造成的不利影響。并且在融合過程中，傳感器權(quán)值緊隨方差的變化而變化，充分體現(xiàn)了“傳感器權(quán)值自適應(yīng)于傳感器測(cè)量方差”的算法特點(diǎn)（圖13至圖14）。因此，算法的融合精確度非常明顯地優(yōu)于常規(guī)的平均值融合算法，也使得系統(tǒng)對(duì)噪聲的容限能力顯著增強(qiáng)（圖15）。

5結(jié)論

本研究基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了1套智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，充分利用了ZigBee設(shè)備組網(wǎng)方便靈活、低能耗、低成本、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)在一定灌溉范圍內(nèi)具有較好的伸縮性，能夠滿足不同種植規(guī)模的灌溉需求。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提升了系統(tǒng)的容錯(cuò)性、決策和規(guī)劃的合理

性。仿真結(jié)果表明，使用傳感器權(quán)值自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合算法能夠使系統(tǒng)獲得更接近于真值的數(shù)據(jù)，在提升系統(tǒng)精確度的同時(shí)，降低了對(duì)噪聲的敏感度。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化、精細(xì)化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)，具有一定的推廣前景和應(yīng)用價(jià)值。

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