904953428基于ZigBee的滴灌自动控制系统设计

《904953428基于ZigBee的滴灌自动控制系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《904953428基于ZigBee的滴灌自动控制系统设计（28页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、题 目:基于ZigBee的滴灌自动控制系统设计 姓 名:学 院:专 业:班 级:学 号:指导教师:目 录摘 要:关键词:Abstract:Key words:引 言1 ZigBee无线传输技术1.1 ZigBee技术概述1.2 ZigBee协议栈1.3 ZigBee网络拓扑结构1.4 ZigBee的主要芯片CC24302硬件实现2.1系统概述2.2 ZigBee无线模块设计2.2.1ZigBee模块基本结构2.2.2 协调器节点的硬件设计2.2.3 传感器节点的硬件设计2.3 农田灌区的设计2.4传感器模块设计2.4.1无线传感器网络2.4.2湿度传感器模块2.4.3温度传感器模块2.4.4光

2、敏传感器模块2.5 滴管的设计3软件实现3.1 协调器节点软件设计3.2 传感器节点软件设计3.2.1数据传输3.2.3 数据采集3.3 ZigBee自组网4滴灌算法的研究4.1滴灌试验设计4.2滴灌灌溉制度的确定4.3 多传感器融合算法5结语与展望致谢参 考 文 献：基于 ZigBee的滴灌自动控制系统的设计农业电气化与自动化专业学生 史小燕指导教师 汪小旵摘 要:发展节水滴灌是解决农业灌溉缺水的出路，ZigBee技术是最近几年提出的一种双向低功耗无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域。本文介绍了一种基于ZigBee无线传感器网络的节水滴灌控制系统，并给出了系统的网络体系结构，以及协

3、调器节点和传感器节点（包括节点的加入，网络地址的分配、数据采集等）硬件和软件的设计。重点研究了无线传感器网络的自组网和数据采集传输的过程。该系统能够监测植物土壤水分的变化,通过无线传感器的反馈数据对植物采取有效的自动节水滴溉措施。关键词: ZigBee; 无线传感器; 自动滴灌; 自组网Design For Wireless Automatic Controlling System Of Drip Irrigation Based on ZigBeeStudent major in Agricultural Electrical and automation Shi XiaoyanTutor

4、Wang XiaohanAbstract: Develop water-saving drip irrigation is the solution to water shortages out, ZigBee technology is put forward in recent years, a two-way low-power wireless communications technology, are mainly applicable to the field of automatic control and remote control. In this paper, a Zi

5、gBee-based wireless sensor networks to control the water-saving drip irrigation systems, and the systems network architecture, as well as the coordinator node and sensor nodes (including node join the network address allocation, data acquisition, etc.) hardware and software design. Focused on wirele

6、ss sensor networks, and make network transmission and data acquisition process . The system to monitor soil moisture changes in plants through the wireless sensor feedback data on plants to take effective measures to automatic water-saving drip irrigation.Key words: ZigBee; wireless sensor; automati

7、c irrigation ; self-networking 引 言农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类顿以生存的最重要的行业。农业的发展从长远来看很重要，一是水的问题，二是科技的问题。由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，即便对于给定的量，在操作中也无法进行有效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水灌溉控制

8、技术1。现代智能型控制器是进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分，以提高产量、质量，节水、节能。现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程的自动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉量，如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长;而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经

9、验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。我国先后引进了以色列、美国、法国、德国等国家的部分先进灌溉控制设备，但价格昂贵，维护保养困难，多数用于农业示范区、科研单位或高校，而且不符合我国土壤的应用特点。我国自己的现代灌溉控制器的研制和使用尚处于起步阶段，因此，作为一个农业大国，中国研究开发自己的先进的低成本、使用维护方便、系统功能强且扩展容易的国产化数字式节水灌溉器是一项极有意义的工作。随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国

10、农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事2。本课题在设计一套能对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉，节水、节能的作用。发达国家发展高效农业的一个重要途径是灌溉管理的自动化，如美国、法国、英国、日本、以色列等发达国家已采用了先进的灌溉系统。他们采用先进的节水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实行动态管理，采用遥感技术，监测土壤墒情和作物生长，开发和制造了一系列用途广泛，功能强大的数字式灌溉控制器，并得到了广泛的应用。地处干早缺水地带的以色列，它是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家，目前全国农业土地基本上实现了灌

11、溉管理自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥直接送入作物根部，水资源利用率和单方水的粮食产量都相当高。北美、澳大利亚韩国等国家和地区都已有发展成熟并形成系列的灌溉控制器产品，微灌方式普遍采用计算机控制，埋在地下的湿度传感器可以传回有关土壤水分的信息，还有的传感器系统能通过检测植物的茎和果实的直径变化来决定对植物的灌水间隔。计算机化操作运行精密、可靠、节省人力，对灌溉过程的控制可达到相当的精度，在以色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制(无线、有线)的农场主3。水资源严重缺乏和水旱灾害频繁是我国的国情。我国农业用水量约占总用水量的80%左右,由于农业灌溉用水的利用率普

12、遍低下,就全国范围而言,水的利用率仅为45%,而水资源利用率高的国家已达70% 80%,因而,解决农业灌溉用水的问题,对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。在灌溉系统合理地推广自动化控制,不仅可以提高资源利用率,缓解水资源日趋紧张的矛盾,还可以增加农作物的产量,降低农产品的成本。采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长,实现水管理的自动化。ZigBee于2004年底通过IEEE802. 15. 4标准,是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,它依据802. 15. 4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线传输

13、将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高4。自动节水灌溉系统利用土壤水分传感器,微处理器,和ZigBee芯片等器件,以网状埋设在农田的各个地方,通过无线通信传播采集数据,然后控制灌溉系统的状态,从而实现农田灌溉的自动化。1 ZigBee无线传输技术1.1 ZigBee技术概述ZigBee技术基于 IEEE 802. 15. 4的无线通信协议,是一种适用于自动化系统与远程控制的无线通讯技术5，具有成本低、功耗低、复杂度低、可靠性高、双向传输、组网灵活方便等特点。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。ZigBee适用于一些简单、低成本的无线局域网，其低耗电特性，只

14、要使用两节1.5伏的电池就可维持数月甚至数年间不用换电池，对一般工业环境或家庭都很适用。ZigBee技术的优点包括以下几方面: 省电。两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。可靠。采用了碰撞避免机制,避免了竞争和冲突;节点模块间具有自动动态组网功能,信息在整个Zigbee网络中通过自动路由方式进行传输,从而保证了信息传输的可靠性。时延短。针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。网络容量大。可支持达65000个节点。安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用通用的AES-128。高保密性。采用6 4为出厂编号并支持AES-128加密。因此,

15、ZigBee技术十分适合于组建无人无线网络。1.2 ZigBee协议栈ZigBee协议的整体框架包括物理层、MAC层、数据链接层、网络层和应用层。其中物理层和MAC层是由IEEE制定,而网络层及应用设备层是由ZigBee联盟制定的，如图1所示6。用户只需编写自己需求的最高层应用协议。图1 ZigBee层次结构物理层：采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum直接序列扩频)技术，可提供27个信道用于数据收发。IEEE802.15.4定义了2.4GHz频段和868/915MHz频段两种物理层标准。物理层的主要功能包括：激活和休眠射频收发器，信道能量检测，信道接收数

16、据包的链路质量指示，空闲信道评估，收发数据。媒体介入层：IEEE 802.15.4 MAC(Medium Access Layer)层提供了两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。数据服务使MAC层协议数据单元的收发可以通过物理层数据服务。管理服务通过MAC层管理实体服务接入点访问高层。IEEE 802.15.4 MAC层的特征有信标管理、信道接入机制、保证时隙(GTS)管理、帧确认、确认帧传输、节点接入和分离。数据链路层：IEEE802系列标准把数据链路层分为媒质接入层MAC和逻辑链路控制层LLC(Logic Link Control Layer)。IEEE802.15.4MAC子层支

17、持多种LLC标准。MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输；而LLC子层在MAC子层的基础上，给设备提供面向连接和无连接的服务。MAC子层功能包括：设备之间无线链路的建立、维护和结束，确认模式的帧传送与接收，信号接入控制，帧校检等。LLC子层主要功能包括：传输可靠性保障和控制，数据包的分段与重组，数据包的顺序传输。网络层：建立新的网络，处理节点的进入和离开网络。根据网络类型设置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的AES-128对通信加密。应用接口层：主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体包括设备发

18、现，业务发现，安全与鉴权，多个业务数据流的会聚。1.3 ZigBee网络拓扑结构ZigBee的网络拓扑结构有3种:星形网络、树形网络、混合网络，如图3所示。其中星形网络是一个辐射状系统,数据和网络命令都通过中心节点传输。如果用通信模块构造星形网络,只需要一个模块被配置成中心节点,其他模块可以配置成终端节点。在ZigBee的网络中,支持全功能设备( FFD)和精简功能设备(RFD)两种类型的物理设备6。此外, ZigBee网络按照节点类型来分,支持3种节点:主节点、路由节点以及终端节点。主节点就是协调器,必须由一个FFD构成,它是网络的核心,负责建立一个网络并下发地址。路由节点也是一个FFD ,

19、搜索网络并加入,给加入路由的终端节点分配地址。路由节点仅是网络中的一个无线收发器,负责转发通信和维护网内路径。终端节点是网络中最简单的节点,可以是一个FFD或者RFD。 星型结构 树型结构 网状结构 协调器 全功能器件 缩减功能器件图2 ZigBee网络拓扑结构这个滴灌自动控制系统中做实验时用星型结构就可以。在实际应用时如果灌溉的面积很大也可以用树型或网状的，由路由节点做数据的中转站。1.4 ZigBee的主要芯片CC2430 这个设计做实验选用的是成都无线龙通讯科技有限公司产品，其中包括C51RF-3-PK/ C51RF-3-JKS(1个CC2431模块、8个CC2430模块、电源、USB线

20、)，IAR 集成开发软件， C51RF-3 仿真器 。在这里主要介绍一下CC2430芯片的组成和原理。ZigBee技术的片上系统CC2430 是一种无线单片机, 是高度整合的系统级射频收发器7。CC2430 的主要特点如下:1) 专门的设计, 将 ZigBee IEEE 802.15.4 的技术标准所需的高频部分电路全部集成到了电路内部。2 ) 采用特殊设计, 使 8051 微处理器和高频线路间, 实现完美的配合, 将高速8051微处理器、32kB(或64kB、128kB)闪存、8k SRAM多种外围电路、814 的A /D 转换器、4 个定时/计数器和 CC2420 无线芯片等全部设计成一只

21、非常小的芯片 (48 脚, 7mm 7mm大小) , 并且内置“看门狗”定时器7, 真正实现了单片机的无线化、微型化。芯片的结构框图如图1所示。3) 无线通讯中需要的大量软件处理, 包括纠错, 防止空气中包装碰撞, IEEE 802.15.4 标准通讯协议处理, 网络路由, 多种网络拓扑等等, 都可以轻易放入无线单片机内部存储器中去, 因为CC2430这样的新一代无线单片机具有较大的存储空间。4) 价格低, 大量购买的价格是 24 美元/片。无线单片机 CC2430以它的丰富资源、高度集成以及低价格特别适合农业设施的单点多参数采集, 以它强大的无线通讯功能和无线网络协议栈为构建实用的农业设施通

22、信网络传感器节点奠定了硬、软件基础。图 4CC2430ZigBee 芯片结构框图2硬件实现2.1系统概述基于 ZigBee技术的无线测温系统由ZigBee无线通信模块、湿度传感器和上位PC监控计算机，电磁阀和滴箭等构成。系统总框图如图5。上位 PC机主要负责测量数据的存储、分析。ZigBee通信模块分为主机模块和从机模块 ,网络拓扑采用星型网络 ,即一个网络协调器和若干个从机终端模块。与 PC机相连的模块作为网络协调器 ,它的主要任务有两个: 负责组织无线网络 ,即自动搜寻网络中的终端节点; 从终端机节点取得 PC主机需要的数据 ,实现终端节点与 上位PC机之间的通信。ZigBee终端模块与湿

23、度传感器相连,一个终端节点模块可以根据需要连接多个测湿度的探头。本文的设计目标是在滴灌控制系统中通过加入一个协调器和若干个终端节点，搭建一个ZigBee网络，从而将由田间传感器测得的信息采集后用于优化精确灌溉。软件基于ZigBee协议栈，达到测量植株滴灌依据参数的要求，解决当前一般滴灌系统精确度低，人为失误，适应性不强等问题，实现滴灌管理的自动化、科学化。图5 系统结构总框图2.2 ZigBee无线模块设计2.2.1ZigBee模块基本结构本实验以一台PC机作为基站连接ZigBee协调器，若干网络节点构成一个传感网络，执行机构为控制各灌区水流开关的电磁阀。无线传感器网络节点由数据采集模块(传感

24、器、AD转换器)、数据处理模块(微处理器、存储器)、数据传输模块(无线收发器)和电源模块(电池、DCDC能量转换器) 四部分组成。数据采集单元负责监测植物生长环境参数采集和数据转换,本设计中数据采集单元主要是土壤湿度传感器，温度传感器，光照传感器；数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；数据传输单元主要由相应的通信协议(主要是M A C协议)及低功耗、短距离的无线通信模块CC2430组成；电源部分主要给传感器模块、处理模块、无线通讯模块供电。电路设计主要包括四部分，如图6所示。即对传感

25、器检测结果的处理电路、通讯电路、继电器控制电路及数据存储电路。电磁阀的正电源线接到了继电器的常开触点上，这样，通过控制继电器的吸合就能控制电磁阀电源的通断，也就控制了灌溉。图6 无线传感器网络节点的结构框图2.2.2 协调器节点的硬件设计协调器节点和上位PC机相连接，并和终端节点无线传输数据。协调器是实现组星型网的关键。协调器节点由电源模块、电压转换模块、按键模块、串口模块、LED指示灯、处理器 CC2431模块、天线模块7部分组成。CC2431的工作电压为 33.3 V，所以要用电压转换模块把电压从5 V降低到 3.3 V左右；用户通过按键来选择功能菜单，确定采集哪个监测区域的数据。处理器处

26、理采集的数据后，通过串口模块传给上位机，进行进一步处理。协调器节点的应用电路如图7所示。图7 协调器节点应用电路图2.2.3 传感器节点的硬件设计传感器节点由传感器模块、处理器 CC2430 模块、天线模块、电源模块、电源管理模块、功率放大模块、LED指示灯 部分组成。LED指示灯由 P1_0口控制，LED 用来显示现在节点的网络状态。电源模块主要给处理器和电源管理模块供电。当需要采集数据时由 P0_0口选通电源管理模块，电源管理模块就可以给传感器模块和功率放大器模块供电了。传感器模块负责采集监测区域内的数据，传感器采集的数据信号放大后给处理器进行下一步处理。处理器模块先把采集的数据信号进行模

27、数转换，然后进行处理，处理后的数据由天线发出。图8 传感器节点结构2.3 农田灌区的设计实验条件：土地总面积为15m*9m，水源在地边室内。土壤为普通黄土，已种植玉米（香糯品种）90行，其中2行为一组，组内行距0.4米，组间行距1米；每行长度约1516米，行内每株间距0.3米左右；于4月底播种，目前多数已出芽。管网分三路，每组玉米选取生长较好的一行作为一路，采用不同流量，在滴灌效果上进行对比，余下的30行另其自然生长；两块间的支管间距在一米以上防止相互影响，作物间距0.3米左右，一颗作物加一个滴头，传感器加在生长良好的植株上。在每行设置2个测试点，取2个测试点的平均值来代表这一行范围土壤的含水

28、状况。电磁阀采用24V，继电器通断，cc2430节点内51单片机（c8051f41x）产生控制信号，对电磁阀进行控制。农田灌区结构示意如图9所示。图9 农田灌区结构示意图系统采集田间及气象数据后，将当前各地块土壤含水量与作物适宜含水量相比较，若土壤实际含水量小于作物要求下限值，便自动开启该地块的电磁阀进行灌溉。灌溉过程中，若出现温度过低以及降雨土壤潮湿等情况时，系统会自动暂停当前的灌溉任务，并保存当前状态。当条件满足时，继续进行未完成的任务。2.4传感器模块设计2.4.1无线传感器网络无线传感器网络的特点大规模网络。传感器可以部署至很大的地理区域。部署节点的密度,可以根据需要设置。自组织网络。

29、节点有自组织的能力,可自行进行动态配置和管理,自动形成转发监测的数据。动态性网络。能够感知对象移动和新节点加人,具有动态的系统可重构性。可靠的网络。节点维护可能性小要求传感器网络具有强壮性和容错性。以数据为中心8。网络在获取指定事件的信息后汇报给用户,接近于自然语言交流的习惯。因而无线传感器网络是以数据为中心的网络。无线传感器网络技术应用在节水灌溉监控系统中,通过采集分析分布在地下无线传感器的数据,能够准确判断植物根部土壤的水分缺失状况,自动控制相应的阀门调节植物根部的水分,有效地帮助植物管理者维护植物的生长。无线传感器网络技术大大提高了管理者对植物维护的工作效率。无线传感器网络技术不仅使每个

30、节点便于安装部署,免去了有线接入的繁琐过程,降低了成本,并且基于自组织的网络能够长期稳定、可靠地连续的工作,保证数据的储存和及时更新。节水灌溉控制系统通过无线传感器的反馈数据对植物采取有效的维护措施。2.4.2湿度传感器模块湿度传感器选用在国家农业信息化工程技术中心购买的电容式传感器STH-01，它具有不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间等特点9。图10 湿度传感器STH-01的连接图一般的湿度传感器分电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化。把这些参数转化为电信号进行测量。ST

31、H-01是电容式的。由于湿度对应温度有很大的变化，所以里面有热电阻或者热电偶作为感温元件,达到测量湿度的目的。STH-01可用于系统集成，进行土在壤/基质水分的实时监测。表1 STH-01的主要技术指标如下：参数指标测量参数：容积含水率单 位：%（m3m-3 ）量 程：0100%测量精度：3输出信号：4-20ma稳定时间：通电后2 秒 响应时间： 1 秒工作电压：12vdc工作电流：35ma 左右密封材料：完全防水2.4.3温度传感器模块图11湿度测量电路湿度传感器TC77 是串联可访问数字温度传感器，特别适合于低成本、小尺寸应用。温度数据由内部温度敏感元件转换得到，随时都可以转化成13位的二

32、进制补码数字。和TC77之间的通信通过SPI 和 MICROWIRE可兼容接口完成。TC77 有一个12 位的ADC，温度分辨率为 0.0625每最低有效位（LSb）（/LSb）。在+25C 到+65C 温度范围内，TC77 可以精确到1.0C（最大值）。工作电流仅 250A （典型值）。可采用 TC77 的配置寄存器来激活低功耗的关断（Shutdown）模式，电流消耗仅为 0.1A（典型值）。由于尺寸小、成本低、使用方便，TC77 是系统中温度管理的理想选择。 表2 TC77的引脚功能表名称功能SI/O串行数据引脚SCK串行时钟VSS地CS 片选（低电平有效）NC不连接VDD电源电压TC77

33、 不需要任何外接元件来测量温度。但是，一般在VDD与VSS（地）引脚之间接一个 0.1F到 1F的去耦电容（应使用高频率陶瓷电容）。该电容应置于尽可能靠近集成电路（IC）电源引脚的位置来为TC77提供有效的噪声抑制功能。 TC77 通过监控模片上二极管的电压来测量温度。TC77 的 IC 引脚在模片与印刷电路板（PCB）之间提供一条低阻抗的热通路。这样，TC77 就可有效地监控 PCB的温度。环境空气之间的热通路没有这样有效，因为塑料 IC 外壳封装可以起到热绝缘体的作用。因此周围温度（假设周围空气与 PCB 之间的温度梯度较大）对 TC77 测量的温度只有些许影响。 如果 TC77 的 SP

34、I 通信线负载很重，则可能出现自热式误差电位。通常，自热式误差可以被忽略，因为 TC77 的电流消耗相对较小。如果 SPI 通信引脚吸收/流出 TC77 规定的最大电流，则自动发热会导致 0.5左右的温度精确度误差。因此，为了使温度最精确，应使 SPI 信号的输出负载最小。 2.4.4光敏传感器模块图12 光敏传感器接线图本设计采用TPS851光敏传感器，TPS851是一个超小型表面贴装集成电路，在一个芯片中照度传感器由一个光电二极管和电流放大器电路集成。灵敏度优于一个光电传感器。它光谱灵敏度接近发光效率和出色的输出线性。其具有超小型表面贴装封装，耗电量低。TPS851的特点如下：超紧凑和轻表

35、面贴装封装：2.0 2.1 0.7毫米；优异的输出线性照度 ；鉴于小波动和高度的敏感性； 内置发光效率校正功能，降低敏感度变化由于各种光源； 低供电电压，使设备适用于电池供电设备，虚拟通道连接2.7 V至5.5 V。2.5 滴管的设计目前在我国，滴灌主要应用于大田棉花、温室大棚、果园及绿化带等。滴灌的优点是:避免深层渗漏和地面流失，减少棵间蒸发，节约用水。不致使根系附近水分过湿过干，土壤通气良好，还可结合施肥，有利作物生长。可以全部自动化，节省劳力，遇坡地也无需开渠，抑制杂草滋生等13。可充分利用水量小的泉或浅井。其缺点是:投资较高，滴头容易堵塞。滴灌系统主要由以下组成:(l)首部:首部包括水

36、泵、过滤器和化肥罐。其作用是从水源抽水加压(100000-3100000Pa):施入化肥溶液(化肥罐容积501001)，过滤杂质;最后，将水、肥输进干管。(2)管道系统:管道系统包括干管、支管和毛管。干、支管内径一般为3.75100mm，毛管内径为10mm左右，均由高压聚乙烯或聚氯乙烯制成。为预防生物堵塞，往往在塑料中添加炭黑，各级管道之间均用二通、三通、四通、旁通连接。(3)滴头:滴头的作用在于使水流经过微小的孔隙消能，然后成水滴状灌入土壤。本设计中滴管是采用本设计中滴管是采用聚氯乙烯材料的管道，干管内径62.5mm，支管内径为12.6mm。系统毛管间距为.025m，滴灌孔距为0.lm，滴头

37、流速为.2sh/l。图 13 控制滴管的电路图滴管的控制电路图图13所示。当CC2430的P1.0引脚输出高电平时，使三极管V1导通，继电器K(JZX-DC12V)吸合，其长开触点S1接通，使电磁阀Y(Q23XD-AC220V)得电吸合。滴管的阀门打开开，开始给农作物灌溉。3软件实现系统软件设计的主要任务是实现无线网络的组网，传感器工作的控制以及数据的无线收发。本系统所用的开发环境是IAR Embedded Work-bench7.20，采用的协议栈为TI的Z-STACK5。系统将协调器通过串口RS232和上位机（PC）相连，通过人机交互的方式可以对局部监测区域的传感器进行数据采集监测，也可对

38、整个监测区域做数据融合后，对整个监测区域有宏观把握。由于对监测区域要有宏观的把握。为实现这一功能，必须知道每个传感器节点的网络地址，这就需要每个传感器设备在加入网络后把网络地址发送给协调器，协调器收到传感器网络地址后建立地址表存储起来，以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的据。系统的软件由C 语言编写, 主要包括数据采集和数据传递的程序。其包括初始化程序、网络的建立、数据采集、数据传送等。IAR生成的目标代码分为调试版本(Debug)和发行版本(Release)两种,其中Debug目标代码的地址定义在SRAM中,将被下载到SRAM中执行; Release目标代码的地址定义在Flas

39、h中,最终大部分在Flash中执行。程序编译以后没有错误和警告就可以下载到CC2430芯片中。3.1 协调器节点软件设计当协调器收到信息时，根据数据的第1个标识字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据。若是传感器的网络地址，则把该网络地址存储在地址表里，然后把网络地址通过串口发给上位机，由上位机做进一步处理；若是传感器采集的数据信息，则需通过标识符进一步判断；如果用户是局部监测区域数据采集请求，则把该数据显示给用户，否则就是用户采集整个监测区域的融合后的数据。这时，需要把该数据存到临时数组里，依据地址表采集下一个传感器的数据信息，待把整个监测区域的传感器数据采集完毕后，根据临时数组里的

40、数据做融合，并把最终结果显示给用户。当用户通过上位机监测系统发送局部监测区域数据请求时，该区域传感器的网络地址会通过串口发给协调器，协调器会根据该网络地址进行数据采集；当用户发送整个监测区域加权平均的数据请求时，协调器会根据地址表中的网络地址，依次采集传感器的数据后做数据融合。协调器节点软件设计的流程如图14所示。图14 协调器程序流程图本设计采用的是星状网络拓扑，它包括一个数据中心(Access Point)，数据中心主要负责网络管理。数据中心为终端节点(End Devices)提供数据存储、转发等，并管理网络内设备成员权限、连接权限以及安全等。数据中心还可以支持终端设备的功能扩展，如在网络

41、中它可以自动实例化终端设备的传感器。 一个网络地址由两个部分构成：一个物理地址（由程序设置）和一个应用层地址即PORT。物理地址是在程序编译的时候就已经设定，网络中每一个设备必需要分配网络中唯一的硬件物理地址。物理地址的长度限制在四个无符号字节以内。而且 CC2430 第一个地址字节不能是 0x00 或者 0xff。在这两个射频芯片工作时帧格式已经定了第一个字节 0X00 和 0xff会被认为是广播帧。 应用程序接口地址（PORT）是在设备加入网络，网络连接的过程序中分配，是不受用户干涉的。 下面介绍协调器建立网络时用到的关键程序函数。nwk_join.c：程序块。 sLinkToken =

42、0xDEADBEEF：连接标志。 static void smpl_send_join_reply(mrfiPacket_t *frame)：加入应答。 void saveAddress(mrfiPacket_t *frame)：AP 存放加入进来的终端设备地址。 uint8_t isJoined(mrfiPacket_t *frame)：判断设备是不是重复加入网络。 smplStatus_t nwk_join(void)：网络加入函数。 nwk_globals.c：程序块。 void nwk_globalsInit(void) ：初始化该设备网络中的四字节地址，将存放于 ROM 中的地址调入

43、 RAM 中方便以后调用。 addrt const *nwk_getMyAddress(void)：取出本机地址 返回指向地址的指针。 void nwk_setMyAddress(addr_t *addr)：用户程序手动设置该设备在网络中的地址。 void nwk_setAPAddress(addr_t *addr)：设置加入到的网络的地加入过程中读回的AP的地址。 addr_t const *nwk_getAPAddress(void)：取回设备网络的地址，即设备所在 AP 的地址。 MRFI_SetRxAddrFilter(uint8_t *)nwk_getMyAddress()：设置接收

44、匹配地址。 MRFI_EnableRxAddrFilter()：打开接收地址匹配。 3.2 传感器节点软件设计传感器节点上电后，首先进行系统的初始化，然后选择信道并加入现有的ZigBee无线网络，休眠等待接收信号，当接收到网关节点发出的查询信号后，进行数据的采集并发送回协调器节点。设备上电后将扫描信道，加入合适的网络，加入网络后将把16位网络地址发给协调器。设备工作时将周期地轮询路由器，看是否有采集数据的命令信息。若有，则采集数据并把数据发给协调器，否则继续侦听信道。传感器节点软件设计的流程如图15所示。图15 传感器程序流程图3.2.1数据传输ZigBee技术的数据传输模式分为3种数据传输类

45、型:第1种是从设备向主协调器送数据;第2种是主协调器发送数据，从设备接收数据;第3种是在两个从设备之间传输数据。对于星型拓扑结果的网络来说，由于该网络结构只允许在主协调器和从设备之间交换数据，因此，只有两种数据传输类型。下面分别介绍数据发送和接收程序中用的主要函数：应用程序通过调用aplSendMSG()函数发送消息包。此函数的定义如下:aplSendMSG()BYTE dstMode,/目标地址的地址模式LADDR_UNION * dstADDR, /目的地址的指针BYTE dstEP, /目标端点(直接消息方式不用)BYTE cluster, /簇号(仅用于直接消息)BYTE scrEP,

46、 /消息源端点BYTE* pload, /用户数据缓冲区指针BYTE plen, /缓冲区字节数BYTE tsn, /消息的事务队列数BYTE reqack /如果非0则要求确认)消息从源节点的源端点发送到目标节点的目标端点。消息分直接消息(指定了目标地址)和非直接消息(仅定义了源节点、源端点和簇,没有指定目标地址)。端点号从1到255由应用程序设置(端点0由栈保留使用)。消息发送以,协议栈会向父节点路由此消息。如果收到APS的ack确认,协议栈就会将消息发送给目标端点。协议栈使用以下APL访问函数接收数据包。aplGetRxDstEp()返回目的端点aplGetRxCluster()返回簇号

47、aplGetRxSrcEp()返回源端点aplGetRxSADDR()返回源端点的短地址aplGetRxMsgLen()返回消息长度aplGetRxMsgData()返回消息数据的指针aplGetRxRSSI()返回收到消息的信号强度而后用户回调函数usrRxPacketCallback()将被调用。这个函数将使用用户数据结构保存数据,设置已收到数据的标志位。此函数结束后消息数据的指针将会被释放,所以在函数结束之前要将数据保存以防止下一个包将数据覆盖掉。3.2.3 数据采集 以湿度的采集为例进行介绍。从节点使用片内湿度传感器检测土壤湿度 首先要定义宏函数，配置 ADC：参考电压位内部 1.25

48、V 基准，转换精度为 12 位，转换通道位内部湿度传感器。#define SAMPLE_TEMP_SENSOR(v) do ADCCON2=0X3E; ADCCON1=0X73; while(!ADCCON1 & 0X80); v=ADCL; v|=(unsigned int)ADCH)=4; /取 12 位精度 outputvoltage=adcValue * 0.61065; /换算成电压值 return(outputvoltage -779.75)/2.43 /转换成实际湿度数值 3.3 ZigBee自组网ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当

49、一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信？网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通

50、过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。ZigBee技术具有强大的组网能力 ,可以形成星形、簇状和 MESH网状型。根据需要,选用适用于点对多点、近距离通信场合的星形网络。即使用一个全功能设备 ( FFD )担任网络协调器即主控节点 ,其余设备设置为精简功能设备 (RFD )充当从机节点。主从之间的通信协议及组网方式如下 : 主控节点的 MCU首先进行信道扫描 ,采用一个其他网络没有使用的空闲信道 ,同时创建一个从机的注册信息列表。列表内容包括从机的 ID号、连接状态、注销与否等信息。主控节点上电后 ,先对注册信息列表进行检查 ,若发现有未使用的 ID号 ,则发送搜索命令

51、,如果接收到从机回应 ,则为其分配这个 ID号 ,然后切换到工作信道 ,等待从机的应答包 ,若 ID号匹配 ,则表示分配成功 ,主机将更新该 ID的注册信息列表。然后主机分别对注册信息列表中的每个有效 ID发送数据请求 ,以获取温度信息。若某 ID在最大通信时间内未响应 ,主机将修改该 ID的注册信息列表 ,直到认为已与该从机失去联系 ,则将该 ID号注销。从机节点上电后首先监听默认信道 ,如果收到主机发送的搜索命令 ,则回应主机 ,并附上自己的随机码。在收到主机的注册命令后 ,先对比随机码 ,进行匹配时则切换到工作信道 ,并使用注册命令中分配的 ID号发送应答包 ,以完成注册。随后使用传感器

52、探头采集土壤的数据,等待主机索取土壤数据的命令 ,发送完数据后进入休眠 ,一定时间后醒来再次采集数据 ,如此循环。图16 网络拓扑显示如图16所示为组网成功的网络拓扑显示。节点之间的连线表示两节点之间的父子关系，连线的颜色是随中间表示信号强度的数字的变化而变化。4滴灌算法的研究4.1滴灌试验设计气温、光照、降雨以及不同季节的气候状况与农作物的生长发育有密切的关系,植物生长的环境主要参数温度、相对湿度、光照强度对植物生长发育起到重要作用。单一的传感器不能保证采集土壤水分数据的合理性和准确性。故在本设计中采用多个传感器湿度传感器、温度传感器、光敏传感器同时工作来保证采集信号的全面性。不同的作物，在

53、不同的生长期对湿度、光照、温度的需求量都不同，在此选择玉米作为实验的作物。这是因为玉米是常见的农作物，生长周期短，现在是初夏也是种植玉米的时节，且土壤湿度条件对其产量影响很大。在试验田里,实行滴灌浇水的目标是寻求玉米产量最大化。因此通过对玉米生长土壤水分的控制并分阶段进行调控 ,以玉米棒重量最大作为目标进行决策。实验地址：南京农业大学工学院金工实习院内 实验设计：在一块长宽=15m9m的试验田里把种植的玉米分为三个区，每区为15m3m大小，成为A、B、C区。A区不灌溉，玉米地的湿度就是根据南京今年的降雨量而决定；B区用肉眼观察判断土壤是否干旱，用传统的方式灌溉并用水表记录用水量；C区用基于Zi

54、gBee的自动滴灌控制系统灌溉，同样记录用水量。最后以玉米棒重量和用水量来评估。4.2滴灌灌溉制度的确定土壤含水量的两个概念：(1)体积百分数(水v%)通常所测量的土壤含水量是指土壤的容积含水量，因为这样可以忽略土样的容重。土壤的容积含水量是容积土壤中水分容积与土壤容积的比例，容积含水量定义为:水v%=（Vw/Vs) 100%其中，Vw为土样中水的体积；Vs为土样的总体积。该定义对绝大多数土壤是一种合理的近似，但不适用于收缩膨胀土壤。土壤容积含水量是一个非量纲的参数，表示为百分数(%vol)或比值(m3m-3)。0 m3m-3对应完全干燥的土壤，纯水的读数为1 m3m-3。(2)相对含水量相对

55、含水量是指土壤自然含水量占某种水分常数的百分数。一般是以田间持水量为基数，土壤自然含水量占田间持水量的百分数为相对含水量。灌水定额:是指作为滴灌系统设计的单位面积上的一次灌水量或灌水深。本文采用含水率差值法来计算灌水定额: （式4-1）式中m滴灌水定额(mm)；允许消耗的水量占土壤田间持水量的比例(%)，对于需水敏感的作物，=20%30%，对于耐旱作物或控水生育阶段，a=30%40%；P滴灌设计土壤湿润比，一般为70%一90%；H土壤计划湿润层深度(m)一般为0.200.30，深根蔬菜或果树为0.301.00；计划湿润层要求的最大含水量 (v%)；计划湿润层的灌前平均含水量(v%)。一次灌水延

56、续时间:是指把涉及灌水定额水量，在不产生径流的条件下，均匀分布与保护地田间所用的灌水时间，用下式计算， （式4-2）式中，t一次灌水延续时间(min)滴头间距(m)毛管间距(m)，一滴头流量(l/h)灌水效率此处因选择的作物是浅根系玉米，所以土壤计划湿度层深度一般为00.6m之间，田间持水量可通过实际测量出来。4.3 多传感器融合算法 根据原有的研究报道，并结合南京地区的气候条件，对玉米生长环境的较优组合是温度为24、相对湿度为80%、光照强度为17.2klx。假设三个传感器采集来的数据分别为X1、X2、X3，X1为相对湿度、 X2 为光照强度、X3为摄氏温度。三点数据作信息融合处理，以融合后

57、的数据作为控制器的输入决策判据。运用统计理论中样本均值和方差这两个概念，研究不同时刻一致性度量序列蕴涵的可靠性信息。由于传感器采集的数据会因局部一些条件的影响，采集到错误的数据，因此根据南京在四月到九月份的气候，对所采集的数据进行筛选。试验将温度 T 限制在 8 T39 、相对湿度 H的选择范围是 29%H 95%、光照强度的限制范围是 1.5 klx I25.5 klx。大于或小于约束条件的数据将会被删除。本设计采用信息融合的方法对采集来的三个传感器采集数据信号进行预处理，周期定为30分钟。在30分钟里对通过传感器读10次，对这10个数据求平均值，用平均值判断是否需要滴灌，当相对湿度的平均值

58、低于65%就是需要滴灌。然后再计算滴灌的时间，其中。等于用所求平均值对标准值（温度24、相对湿度80%、光照强度17.2klx）求方差。然后根据方差的结果决定滴灌的时间。首先要保证计算的数据在约束的范围内，温度 T 限制在 8 T39 、相对湿度 H的选择范围是 29%H 95%、光照强度的限制范围是 7.5 klx I25.5 klx。如式4-3所示为求湿度的平均值表达式。 （式4-3）同理可以求出光照强度的平均值，温度的平均值，式4-4为求方差的表达式。、为比例系数，开始试验时设定=0.75、=0.15、=0.10。在以后的试验中根据已有的数据还要对比例系数、修改，以求找到最优的比例系数。

59、（式4-4）植物的生长主要是进行光合作用，光合作用就是植物的绿色叶片利用二氧化碳和水作原料，以太阳光作动力，借助于叶绿体制造有机物质的过程。因此光照的强度是植物的生长的重要因素。不同光照强度下对水分的需要也不同，表4-1是进行试验时初次设定的在不同光照强度下，对应相对湿度时是否需要滴灌。表4-1 初次试验的设定值表 光照强度相对湿度晚上光照弱（1.56klx）白天光照弱（614klx）白天光照强（1425.5klx）29%65%滴灌滴灌滴灌65%75%否滴灌滴灌75%82%否否滴灌82%95%否否否在灌水结束后至少5分钟后土壤湿度才会有明显变化，因此在这段时间内系统可采用延时等待的方式对采集到

60、的湿度信号不作处理。在以后的不断试验中，通过对光照强度、相对湿度、温度的数据采集和分析之后，还要对表4-1进行修改，以玉米生长好和节水为目标，找到最优的算法。5结语与展望本文在对滴灌在国内外现状分析下，提出了基于ZigBee技术的自动滴灌系统的设计方案，并设计开发了相应的传感器节点。随着微计算机、ZigBee技术和传感器技术的发展和推广，无线自动滴灌将会得到更多的应用和发展。本论文主要完成以下工作:1、根据滴灌数据采集的要求，提出了基于ZigBee技术的自动滴灌采集系统的硬件方案和软件方案。2、采用CC2430芯片为核心芯片，配合外围器件，设计了一种结构简单,成本较低，精度较高的传感器节点。3

61、、进行软件开发与调试，包括ZigBee组网，湿度、温度、光敏传感器采集数据并实现无线收发。本系统的无线自动滴灌系统在完成了硬件和软件的初步设计和调试功能后，结合当地的降雨和土壤条件，初步设定了试验和算法的初始值。整个系统的功能在硬件和软件上还需要继续完善，以达到成熟可实际应用的标准。目前,在我国ZigBee网络应用范围也非常广泛,但还没有应用到农业领域中。现阶段,我国在精确农业应用中,采用无线电传播这种方式。虽然其特性良好,但功耗高、时延长、安全性无保障等诸多限制性因素制约了无线电传播的发展,使其很难为精准农业提供快速而有效的信息资源,也致使我国大部分地区仍采用传统农业,停留在使用孤立的、没有通信能力的机械设备,主要依靠人力监测作物的生长状况水平上,从而也限制了我国精准农业的发展。而传感器和Zigbee网络技术的应用,解决了这一难题,传统农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式,使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制等设备及方法应用到农业生产中。传感器收集包括土壤温湿度、微量元素含量、pH值、降水量、空