基于ZigBee技術的瓜田自動灌溉系統(tǒng)的設計

姜 彪，李榮正

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620)

基于ZigBee技術的瓜田自動灌溉系統(tǒng)的設計

姜 彪，李榮正

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620)

針對瓜田比較分散且覆蓋范圍較大，文中提出了一種基于ZigBee技術的瓜田自動灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分布式無線網(wǎng)絡進行監(jiān)控，通過搭載CC2530芯片的硬件電路，采集環(huán)境溫度和濕度，利用遠程無線ZigBee來控制現(xiàn)場灌溉閥門，最終實現(xiàn)瓜田管理的智能化。通過現(xiàn)場測試結果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定、高效，具有良好的實用性及較大的推廣價值。

自動灌溉；無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)；智能化

現(xiàn)有的瓜田灌溉系統(tǒng)大多通過有線通信技術設計實現(xiàn)，但存在著諸多弊端，如：田間布設大量的電纜，易腐蝕，且安裝復雜，材料和人工成本高[1-2]。根據(jù)ZigBee技術所具有的特點，由其組成的無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋面積大，自組織、自愈能力強，且功耗低、成本低，應用于大范圍的瓜田區(qū)域具有很大的優(yōu)勢[3]，因此本文結合最新的近距離無線ZigBee技術組建無線傳感器網(wǎng)絡，實時采集瓜作物生長環(huán)境信息。以科學有效的管理方式，合理分配水資源，實現(xiàn)節(jié)能減排。

1 系統(tǒng)總體框架

該新型瓜田自動灌溉系統(tǒng)通過組建近距離ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，采集瓜田環(huán)境的溫度和濕度，將采集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)通過DTU遠程無線發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)[4]。計算機終端接收瓜田環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)，通過比較分析預設值，判斷是否需要灌溉，形成相應的指令返回至DTU。DTU將指令傳送至現(xiàn)場微處理器，現(xiàn)場微處理器根據(jù)接收到的指令執(zhí)行相應的程序，從而實現(xiàn)瓜田的自動灌溉。本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、現(xiàn)場控制單元、遠程無線通信模塊、遠程監(jiān)控單元、供電管理單元組成，系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

數(shù)據(jù)采集單元實質上是一個無線傳感器網(wǎng)絡，采用ZigBee組網(wǎng)技術[5-6]。ZigBee技術是一種基于 IEEE 802. 15. 4的無線通信協(xié)議[7-8]，其特點是成本低、功耗低、可靠性高、雙向傳輸、組網(wǎng)靈活方便，并且還是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，網(wǎng)絡節(jié)點容量大，理論最大可支持6萬多個節(jié)點[9]，節(jié)點間可形成多種拓撲形式的網(wǎng)絡，如圖2所示為星型拓撲結構。數(shù)據(jù)采集單元采集傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)，通過無線發(fā)送至現(xiàn)場控制單元的微處理器。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構

現(xiàn)場控制單元實現(xiàn)對整個現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡的運行維護，匯聚所有溫濕度傳感器數(shù)據(jù)。將現(xiàn)場所有溫濕度數(shù)據(jù)組幀打包發(fā)送至遠程無線通信單元，同時接收遠程無線通信單元傳送的指令。

遠程無線通信單元根據(jù)目的IP和端口號，負責由現(xiàn)場控制單元傳送來的溫濕度數(shù)據(jù)，通過運營商的遠程無線網(wǎng)絡，上傳至互聯(lián)網(wǎng)。同時將從互聯(lián)網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)傳送給現(xiàn)場控制單元，整個數(shù)據(jù)傳輸過程都是完全透明的。

遠程監(jiān)控單元負責溫濕度數(shù)據(jù)的接收、存儲，顯示和分析[10]。供電管理單元主要為現(xiàn)場各個單元提供能量供應。

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要包含了數(shù)據(jù)采集單元，現(xiàn)場控制單元，遠程無線通信單元和電源管理等單元。

2.1 數(shù)據(jù)采集單元硬件設計

數(shù)據(jù)采集單元硬件電路主要由CC2530無線單片機最小系統(tǒng)、土壤溫濕度傳感器SHT10和灌溉電磁閥門以及其驅動電路組成。 CC2530射頻芯片兼容ZigBee協(xié)議的近距離無線單片機芯片，CC2530與Z-Stack協(xié)議棧軟件搭配使用[11]。Z-Stack的工作流程可以分為系統(tǒng)啟動、驅動初始化、OSAL初始化和任務輪循幾部分[12]，CPU為增強型8051內核，工作在單時鐘指令周期[12]。除了其優(yōu)越的無線功能，它還具有強大的外設。包含18個中斷源，12位的A/D采樣，4個定時器，一個可運行在超低功耗模式睡眠定時器，能將系統(tǒng)功耗降至最低，兩路USART串行通信，可以配置為異步UART或者同步SPI通信模式。

單片機CC2530、溫濕度傳感器SHT10以及電磁閥門及其驅動電路的具體連接關系如圖3所示。每個芯片電源腳應加入合適的去耦電容，以降低因外界電磁干擾引起的電源噪聲[13]。

現(xiàn)場控制單元硬件設計基本和數(shù)據(jù)采集單元硬件設計相同，區(qū)別在于現(xiàn)場控制單元還要和遠程無線通信單元連接。

圖3 數(shù)據(jù)采集單元原理圖

2.2 遠程無線通信單元硬件設計

遠程無線通信單元硬件主要包含了DTU和電平轉換電路。DTU是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸終端，利用公用運營商網(wǎng)絡為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)傳輸功能[14]。本系統(tǒng)選用H7710 DTU，5～36 V寬電壓直流供電，支持睡眠功能，數(shù)據(jù)接口兼容RS232協(xié)議，可直接連接串口設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸功能。由于DTU通信接口是標準的RS232協(xié)議電平，所以必須將微處理器的UART通信的電平轉換成標準的RS232協(xié)議電平，才能和DTU實現(xiàn)通信。具體電路原理如圖4所示。

圖4 RS232電平轉換電路

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包含了數(shù)據(jù)采集單元軟件、現(xiàn)場控制單元軟件和遠程監(jiān)控單元軟件。系統(tǒng)軟件設計始終以可靠性、實用性和可擴展性為目標，為保證整個系統(tǒng)可靠工作，軟件中都設置了看門狗，在判斷系統(tǒng)運行不正常之后，能夠自動復位；為保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信可靠進行，系統(tǒng)制訂了相關的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在通信不正常時能及時發(fā)現(xiàn)問題并嘗試修復；為降低系統(tǒng)的功耗，采用了休眠機制，即每隔設定的時間間隔采集一次傳感器數(shù)據(jù)，其余時間系統(tǒng)進入休眠，大幅降低了系統(tǒng)功耗。

3.1 數(shù)據(jù)采集單元軟件設計

數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)溫度和濕度數(shù)據(jù)的采集，該單元上電以后通過微處理器訪問SHT10，讀取溫度和濕度。等待數(shù)據(jù)采集命令，將溫濕度數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場控制單元微處理器，根據(jù)現(xiàn)場控制器返回的指令執(zhí)行對應的程序。如果是休眠命令，則直接進入休眠，降低系統(tǒng)功耗；如果是灌溉命令，則打開電磁閥門，開啟定時器，達到灌溉時間之后再關閉閥門。

圖5 數(shù)據(jù)采集單元軟件流程圖

3.2 現(xiàn)場控制單元軟件設計

現(xiàn)場控制單元主要完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和并將數(shù)據(jù)發(fā)送至DTU，通過DTU實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送，同時還接收DTU返回的數(shù)據(jù)。根據(jù)返回指令執(zhí)行相應操作，實現(xiàn)對現(xiàn)場的遠程控制。現(xiàn)場無線通信總是由現(xiàn)場控制單元微處理器發(fā)起，通過點名方式，輪詢數(shù)據(jù)采集單元的各個微處理器，這樣的通信方式能有效的避免無線的通信沖突問題。

圖6 現(xiàn)場控制單元軟件流程圖

4 測試結果

數(shù)據(jù)采集單元中設置3個溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點，依次間隔50 m放置。將溫濕度傳感器埋入土壤中現(xiàn)場控制單元和遠程無線單元,連接放置在3個溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點的中心位置，組成一個星型網(wǎng)絡[15]。打開遠程監(jiān)控單元的監(jiān)控軟件。當現(xiàn)場DTU和計算機終端建立連接后，通過計算機配置現(xiàn)場ZigBee 網(wǎng)絡，設置系統(tǒng)溫濕度采樣間隔為1 h，運行該系統(tǒng)，對環(huán)境溫濕度進行實際監(jiān)測。連續(xù)監(jiān)測3 h，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫濕度數(shù)據(jù)測試結果

注：當天環(huán)境溫度23～32 ℃,相對濕度為30 ～56%RH。

通過系統(tǒng)的測試結果可知，測試區(qū)域的環(huán)境土壤溫度約28 ℃，土壤濕度約40%RH。測試區(qū)域環(huán)境的物理量溫度和濕度 ，經(jīng)過SHT10傳感器轉換為數(shù)字量，由CC2530微處理器讀取，通過近距離無線傳送到了現(xiàn)場控制單元CC2530微處理器，再由現(xiàn)場控制單元CC2530微處理器轉發(fā)給DTU，DTU借助GPRS網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，最終由接入互聯(lián)網(wǎng)的計算機終端成功接收并顯示。通過計算機終端向現(xiàn)場控制單元發(fā)送約定的指令，成功實現(xiàn)了電磁閥門的開啟和關閉。

5 結束語

系統(tǒng)基于ZigBee技術，組建了一個的無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡，搭建了一個基本的物聯(lián)網(wǎng)模型，實現(xiàn)了對瓜田環(huán)境溫濕度的遠程監(jiān)測、瓜田灌溉閥門的開啟和關閉，達到了系統(tǒng)預期的目標，實現(xiàn)了瓜田的智能化管理。同時，如果將數(shù)據(jù)采集單元中的ZigBee節(jié)點組建成更復雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，則可以實現(xiàn)廣闊瓜田的遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)還具有較強的移植性，能夠移植到其他需要實時監(jiān)測和自動控制的行業(yè)中。

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Research and Design of Automatic Irrigation System for Melon Patch Based on ZigBee Technology

JIANG Biao，LI Rongzheng

(School of Electrical and Electronic Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

A melon field of automatic irrigation system based on ZigBee technology is proposed in this paper. The system uses a distributed wireless network monitoring, through the hardware circuit with CC2530 chips, collecting environmental temperature and humidity.Remote wireless ZigBee controls the field irrigation valve, finally realizes the intelligent management of the field. The test results show that the system is stable, efficient, high practicability and great popularization value.

automatic irrigation;wireless sensor network;ZigBee;internet of things;intelligent

2016- 12- 13

姜彪(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：計算機分布式控制及檢測技術等。李榮正(1960-)，男，教授。研究方向：計算機控制及檢測技術等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.022

TN926;TP273

A

1007-7820(2017)09-078-04