基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的棉田節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝振偉　馬蓉　趙天圖

摘要：針對(duì)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的農(nóng)田作物在少雨、高溫、干燥等多種因素制約下，其農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用率普遍較低的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一套基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用8051微處理器作為控制器，并與各類(lèi)溫濕度傳感器組成傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)棉田土壤墑情的采集，通過(guò)功放芯片CC2591與主芯片CC2530的連接，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸。設(shè)計(jì)無(wú)線通信的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，在空曠地區(qū)和棉田分別進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，在棉田中有效通信距離達(dá) 825 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均丟包率為275%，因而系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確地采集棉田各類(lèi)信息，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；功放芯片；節(jié)水灌溉；棉田

中圖分類(lèi)號(hào)： S274；TP2129文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2017）16-0225-04

[HJ14mm]

收稿日期：2016-05-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃（編號(hào)：2013AA102300）。

作者簡(jiǎn)介：謝振偉（1986—），男，山東煙臺(tái)人，碩士，主要從事精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)研究。E-mail：1220942844@qqcom。

通信作者：馬蓉，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)研究。E-mail：lzymrhs@163com。[HJ]

新疆作為我國(guó)的一個(gè)農(nóng)業(yè)大省，灌溉用水約占農(nóng)業(yè)用水的90%，并且新疆地處內(nèi)陸干旱區(qū)，常年降水稀少、氣候干旱，造成水資源嚴(yán)重不足。近年來(lái)隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市的快速發(fā)展，水的供需矛盾進(jìn)一步加劇，同時(shí)水資源浪費(fèi)現(xiàn)象日趨嚴(yán)重；因而發(fā)展高效節(jié)水型灌溉技術(shù)已成為新疆干旱區(qū)自動(dòng)化農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑，也是緩解水資源短缺的有效措施和促進(jìn)水資源持續(xù)利用的一項(xiàng)長(zhǎng)期性任務(wù)。

基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的信息處理與通信技術(shù)，憑借其成本低、可靠性好等特點(diǎn)，已被充分應(yīng)用于自動(dòng)化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。北京林業(yè)大學(xué)的江挺等設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉控制系統(tǒng)，目前已在北京等地區(qū)的小型農(nóng)田試驗(yàn)地進(jìn)行了安裝運(yùn)行，基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)[3]。西北農(nóng)林科技大學(xué)的謝紅彪等研制了一套基于ZigBee的田間灌溉自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用具有ZigBee技術(shù)的AT89C51模塊和HM1500濕度傳感器組成的傳感器節(jié)點(diǎn)，并將其部署在棉田的各個(gè)角落，對(duì)土壤墑情信息進(jìn)行采集、處理后發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心，使其對(duì)灌溉進(jìn)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(nóng)場(chǎng)。新疆石河子149團(tuán)的棉田，采用SD卡的形式定時(shí)地對(duì)農(nóng)田中的電磁閥進(jìn)行控制，以達(dá)到灌溉的目的。上述技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)用，使得干旱區(qū)不僅得不到及時(shí)的灌溉，而且造成水資源的浪費(fèi)。因此，本研究在前人的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套基于ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的灌溉控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)和控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)的雙向通信。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

灌溉系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程服務(wù)器、上位機(jī)控制中心、基于STM32F107的ZigBee網(wǎng)關(guān)及基于609 G的GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[5]。

系統(tǒng)中的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用的是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、電磁閥控制節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)（包含在通信模塊中）和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由協(xié)調(diào)器充當(dāng)。傳感器節(jié)點(diǎn)與濕度檢測(cè)傳感器及空氣溫濕度傳感器相連，用于定時(shí)采集棉田土壤的濕度及周?chē)沫h(huán)境參數(shù)，并將采集到的信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到協(xié)調(diào)器中；協(xié)調(diào)器初始化信道、網(wǎng)絡(luò)的IP地址，處理各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，并將數(shù)據(jù)信息經(jīng)串口協(xié)議傳到ZigBee網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)GPRS、上位機(jī)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接與交互；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包的傳送，上傳傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)包，處理子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求等，通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)與管理。

2硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

21傳感器選型

為實(shí)現(xiàn)棉田的合理精確灌溉，系統(tǒng)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(shù)。綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗低的要求，土壤水分檢測(cè)選用Decagon公司生產(chǎn)的EC-5傳感器。EC-5的外層能夠承受較強(qiáng)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(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量?？諝鉁貪穸葴y(cè)量選用DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，測(cè)量的溫度范圍為-40～80 ℃，相對(duì)濕度范圍為20%～90%，測(cè)量精度分別為<05 ℃、≤2%[5]。因此該傳感器能夠直接穩(wěn)定地反映土壤的含水量和空氣的溫濕度。

22網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(fā)模塊、增強(qiáng)型8051內(nèi)核處理器、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（static RAM，簡(jiǎn)稱(chēng)SRAM）和 A/D 轉(zhuǎn)換接口等外設(shè)。同時(shí)CC2530具有不同的運(yùn)行模式，并且模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)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(dá)22 dBm，理論上的最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)1 km，適用于環(huán)境復(fù)雜的農(nóng)田。

23傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)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(yīng)模塊4部分。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

24電磁閥控制節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

電磁閥控制節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)與傳感器節(jié)點(diǎn)相似，其不同之處在于其設(shè)計(jì)接口上連接灌溉控制板和雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥（圖3）。根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的土壤水分值與預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器控制每個(gè)閥門(mén)的開(kāi)啟與閉合，進(jìn)而達(dá)到灌溉目的。

25網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)硬件采用意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的高性能MCU-STM32F103C8T6芯片。在組建微控制單元（micro controller unit，簡(jiǎn)稱(chēng)MCU）網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)時(shí)，向外擴(kuò)建的模塊有電源模塊、串口通信模塊、存儲(chǔ)模塊、GPRS模塊、協(xié)調(diào)器模塊以及繼電器模塊等[8]（圖4）。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為傳感器節(jié)點(diǎn)程序、電磁閥控制節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)。

31傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層的程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)底層的各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用、數(shù)據(jù)信息的定時(shí)采集、數(shù)據(jù)包的壓縮并傳送、數(shù)據(jù)包的接收并解析等。設(shè)計(jì)思路為節(jié)點(diǎn)通電后會(huì)自動(dòng)加入到由協(xié)調(diào)器組建的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，并獲取屬于自己的短地址；節(jié)點(diǎn)初始化以后將定時(shí)采集農(nóng)田的數(shù)據(jù)信息，并將自身的設(shè)備號(hào)、數(shù)據(jù)包號(hào)和數(shù)據(jù)參數(shù)聚成數(shù)據(jù)包，傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的電磁閥，否則切換到采集模式2，即打開(kāi)電磁閥，同時(shí)定時(shí)監(jiān)測(cè)田間數(shù)據(jù)（圖5）。

32電磁閥控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

電磁閥控制節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層的程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)底層中每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用、接收并執(zhí)行網(wǎng)關(guān)發(fā)送來(lái)的命令等任務(wù)。設(shè)計(jì)的思路為電磁閥的節(jié)點(diǎn)通電后，自動(dòng)加入到由協(xié)調(diào)器組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，并獲取屬于自身的短地址，然后將自身的設(shè)備號(hào)、數(shù)據(jù)包號(hào)以及電磁閥狀態(tài)聚合成一個(gè)數(shù)據(jù)包，傳送給協(xié)調(diào)器，同時(shí)等待協(xié)調(diào)器的指令，并從指令中分析出電磁閥的控制命令與休眠時(shí)間，執(zhí)行電磁閥的開(kāi)啟或閉合并將電磁閥的狀態(tài)傳送到協(xié)調(diào)器中后，進(jìn)入休眠狀態(tài)。協(xié)調(diào)器接收并解析傳來(lái)的數(shù)據(jù)包，最后將電磁閥的狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)。

33網(wǎng)關(guān)軟件程序設(shè)計(jì)

331ZigBee協(xié)調(diào)器的程序

協(xié)調(diào)器在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、匯聚各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、傳送控制命令，實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和電磁閥節(jié)點(diǎn)的相互通信[9]。圖6為協(xié)調(diào)器的程序流程。

332STM32控制器的程序

網(wǎng)關(guān)硬件通電后，將應(yīng)用程序初始化，協(xié)調(diào)器組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)串口RS2302與上位機(jī)的控制中心相連接，GPRS模塊使用默認(rèn)的設(shè)置與遠(yuǎn)程服務(wù)器相連接。程序初始化完成后便開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，等待無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)分別發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是從什么網(wǎng)絡(luò)中傳來(lái)的，若是以太網(wǎng)傳來(lái)的命令，則需進(jìn)行指令解析，調(diào)用串口模塊將指令傳送到微控制單元MCU[10]；若是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，則調(diào)用GPRS模塊發(fā)送信息給遠(yuǎn)程終端（圖7）。

34棉田滴灌系統(tǒng)上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制中心采用高級(jí)語(yǔ)言C++，基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的通信，以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查看與存儲(chǔ)、閾值設(shè)置、端口設(shè)置以及采集時(shí)間設(shè)置等任務(wù)。

35遠(yuǎn)程服務(wù)器的設(shè)計(jì)

服務(wù)器使用Visual Studio 2010，利用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)的通信，接收并顯示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)試驗(yàn)

41節(jié)點(diǎn)通信距離測(cè)試

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效通信距離直接影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍[11]。農(nóng)場(chǎng)棉田中，植株種植面積與密度都比較大，且棉花生長(zhǎng)高度多為05～06 m，因而節(jié)點(diǎn)需具有較大的發(fā)射功率，才能保證理想的通信距離。本研究分別在空曠地區(qū)和棉花田中測(cè)試節(jié)點(diǎn)的有效通信距離，設(shè)置的節(jié)點(diǎn)高度分別為03、06、12 m，設(shè)置發(fā)射功率為節(jié)點(diǎn)最大值21 dBm，射頻功率設(shè)定在24 GHz頻段。每隔5 s定時(shí)傳送節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)上位機(jī)來(lái)觀察節(jié)點(diǎn)處于不同位置時(shí)，數(shù)據(jù)包能否正確傳達(dá)，當(dāng)能正確傳達(dá)時(shí)增加收發(fā)距離。當(dāng)協(xié)調(diào)器處于收發(fā)不穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)用激光測(cè)距儀檢測(cè)2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的直線距離，重復(fù)檢測(cè)多次，取其平均值，經(jīng)過(guò)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的高度為 12 m 時(shí)，其通信距離最遠(yuǎn)。測(cè)得節(jié)點(diǎn)的最大有效通信距離如表1所示。

42節(jié)點(diǎn)感知精度測(cè)試

感知精度是指器件獲取信息的精確度，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[12]。利用機(jī)械式濕度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)以及土壤水分測(cè)量?jī)x在節(jié)點(diǎn)處同時(shí)檢測(cè)濕度和溫度，與EC-5和DHT22傳感器在節(jié)點(diǎn)處的實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)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(kāi)始，節(jié)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)值與水銀溫度計(jì)測(cè)量值的逐時(shí)變化。

43節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試

采樣電阻電壓的方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)量[12]。在電源模塊的接口處串接1個(gè)10 Ω的電阻，利用高精度萬(wàn)能表測(cè)量實(shí)

[FK（W12][TPXZW8tif][FK）]

際電壓值U，測(cè)得實(shí)際電流為I=U/10，再依據(jù)各狀態(tài)電流I以及持續(xù)時(shí)間t，經(jīng)過(guò)功耗計(jì)算公式測(cè)得節(jié)點(diǎn)每周期所消耗的電量。測(cè)量的結(jié)果顯示，節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的休眠電流為007 mA，信息采集時(shí)的電流為112 mA，發(fā)射時(shí)的電流為126 mA。依據(jù)功耗公式，以每30 min為1次測(cè)量周期，節(jié)點(diǎn)消耗的電量為6 mA·h/d，則使用3 000 mA·h的37 V電池串聯(lián)能夠使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)持續(xù)工作時(shí)間達(dá)到 500 d，這符合系統(tǒng)低功耗的要求。節(jié)點(diǎn)功耗的計(jì)算公式為

[JZ（]Q=24×2×（I1·t1+I2·t2+I3·t3）。[JZ）]

式中：I1、I2、I3分別為節(jié)點(diǎn)的休眠電流、采集電流、發(fā)射狀態(tài)電流。

44系統(tǒng)的整體測(cè)試

本研究將設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)于石河子農(nóng)業(yè)科技園區(qū)（棉花地長(zhǎng)1025 m，寬721 m，植株長(zhǎng)寬間隔為034 m×018 m，高度為05～06 m）進(jìn)行無(wú)線傳感器組網(wǎng)試驗(yàn)，測(cè)得棉花田的實(shí)際土壤含水率、空氣溫濕度等。共使用6個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中包括1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、4個(gè)電磁閥節(jié)點(diǎn)、1個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)。其中節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4距離協(xié)調(diào)器較遠(yuǎn)，需要通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

試驗(yàn)將棉花田主要?jiǎng)澐譃?個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)此區(qū)域的溫度與濕度，并且根據(jù)土壤含水率是否超過(guò)閾值來(lái)控制對(duì)應(yīng)的電磁閥控制節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，達(dá)到精確灌溉的效果。傳感器節(jié)點(diǎn)與電磁閥控制節(jié)點(diǎn)的工作如圖9所示。

45網(wǎng)絡(luò)的丟包率測(cè)試

傳感器節(jié)點(diǎn)依據(jù)土壤含水率的采集方式，設(shè)定采集周期為20 min，采用節(jié)點(diǎn)休眠喚醒機(jī)制，連續(xù)監(jiān)測(cè)7 d，測(cè)試的結(jié)果如表2所示。由表2可知，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均丟包率為 275%，此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸比較穩(wěn)定可靠。

5結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)以ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)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(wú)線通信模塊，EC-5土壤水分傳感器、DHT22數(shù)字溫濕度傳感器及外圍電路作為傳感器模塊，此系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)能夠自組網(wǎng)，形成自愈型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在棉田間節(jié)點(diǎn)的有效通信距離達(dá)825 m。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均丟包率僅為275%。綜上所述，該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性和可靠性，能夠準(zhǔn)確地采集棉田各類(lèi)信息和控制電磁閥的工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的。

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