趙 哲

（新疆博樂塔拉蒙古自治州第五師九〇團，新疆 博樂 833409）

節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計中ZigBee技術的應用

趙 哲

（新疆博樂塔拉蒙古自治州第五師九〇團，新疆 博樂 833409）

文章詳細介紹了ZigBee技術的系統(tǒng)構(gòu)成和設計理念，對節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計中ZigBee技術的應用進行探討。ZigBee技術具有成本低、功耗小、組網(wǎng)方便等優(yōu)點，通過在灌溉系統(tǒng)中應用ZigBee技術，可以有效降低灌溉用水，將灌水量控制在可以促進作物增長的范圍中。

節(jié)水灌溉;系統(tǒng)設計;ZigBee技術;應用

當前，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)過程中，如何節(jié)約灌溉用水已經(jīng)成為當前需要解決的一個主要問題。目前，我國智能化節(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)場使用GPRS模塊進行交互，并取得了良好的應用效果，但是這種通信方式的推廣費用和維護費用均比較高。在這種情況下，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡被研發(fā)出來，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技術概況

ZigBee技術是一種比較新型的無線網(wǎng)絡技術，它的通訊距離比較靈活，每一個網(wǎng)絡節(jié)點的有效距離為75m。盡管ZigBee技術通信距離有限，但是它的擴展空間比較廣，它的整個系統(tǒng)由許許多多的無線小部分構(gòu)成，數(shù)量可以達到幾萬個，該技術網(wǎng)絡構(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技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化輸送，與造價較高的基站移動通信網(wǎng)絡比較，ZigBee技術基站的投入僅僅是它的千分之一，前者的投入大約幾百萬元，而后者的投入僅是幾百元而已。

ZigBee技術通信協(xié)議是一個新研發(fā)的項目，它最主要的特點就是簡便，該協(xié)議又非常完整，包含的內(nèi)容非常緊密，在現(xiàn)實應用的過程中非常簡便，技術含量也比較少，處理器為64KB的RAM和8個4KB的ROM構(gòu)成，這樣投入的成本就是較少。該技術對ZigBee的介質(zhì)訪問層和物理層進行了核準定義，增加了介質(zhì)訪問子層的功能，這是因為網(wǎng)絡技術里要求要有無線通道，系統(tǒng)發(fā)出命令以后，介質(zhì)訪問子層就會工作。還要解決好信道的接入問題，發(fā)生信道沖突的時候，要實施有效控制，網(wǎng)絡所發(fā)出的信號以頓為單位，介質(zhì)訪問層的作用就是校對頓的精準度，假如信號發(fā)送失敗，系統(tǒng)就會再次發(fā)送。

物理層包括了頻譜為 915MHz、868 MHz和2.4GHz的三個工作頻段，然而網(wǎng)絡構(gòu)建需要實現(xiàn)完整性，僅對介質(zhì)訪問層和物理層進行定義是不全面的，不但要實現(xiàn)自身網(wǎng)絡節(jié)點的通信暢通，還要確保與其他設備實現(xiàn)有效連接，使用ZigBee技術可以很好的解決這一問題，ZigBee技術在802.15.4之上構(gòu)建應用層框架和網(wǎng)絡層［1］。

ZigBee技術與哪些設備實施通信是應用層框架的主要內(nèi)容，拓展應用可以有效做好后臺支持工作，部分研發(fā)技術廠商還會自己拓展ZigBee技術的部分構(gòu)件。網(wǎng)絡層是給應用層提供支持的，在通信的時候一定要有網(wǎng)絡接入口，還包括媒體介入有效控制子層，這樣可以實現(xiàn)操作的精準度。

網(wǎng)絡層的主要構(gòu)成部分包括管理服務和數(shù)據(jù)服務兩個實體，這兩個實體只是概念上的服務實體。所有的ZigBee技術節(jié)點連接的傳感器都是為采集信息而服務的，同時還要承擔轉(zhuǎn)發(fā)信息的任務，所有的信息都是經(jīng)過節(jié)點進行傳輸?shù)?，組網(wǎng)的方式有很多，例如星狀、樹狀或者是網(wǎng)狀。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

ZigBee射頻單片機是智能節(jié)水灌溉體系的核心內(nèi)容，它合理的使用了自動化控制技術和GPRS無線技術，采集了光照強度、濕度和溫度的有效信息，借助ZigBee技術將采集的信息傳輸給遠程終端設備，借助GPRS無線技術將信息傳輸?shù)絠nternet上，在需要的時候還可以傳輸給移動電話，還可以將接收的信息經(jīng)過串口輸送到ZigBee中進行處理［2］。電磁閥是自動化控制灌溉體系的核心部分，借助ZigBee技術實現(xiàn)灌溉，也可以設定條件實現(xiàn)灌溉，如圖1所示。

圖1 ZigBee智能節(jié)水灌溉體系

3 系統(tǒng)設計理念

3.1 設計ZigBee節(jié)點硬件

構(gòu)成較小局域網(wǎng)的主要組成部分就是ZigBee節(jié)點，它在系統(tǒng)里承擔著重要的作用，例如自動控制、信息交換等等，ZigBee節(jié)點包括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收集四周環(huán)境的溫度和濕度、日光照射強度和電磁閥開關控制等。繼電器掌控電磁閥電源開關，如圖2所示。電磁閥通電以后，鐵芯向上移動還會帶動密封塞向上運動，這樣就可以使水流順利的流過［3］。可以使用DHT11型、HS11011型或者是DS18B20型溫度傳感器來搜集溫度和濕度，簡單的單總線通過一個IPO端口承擔著DHT11型傳感器和單片機之間的通信。內(nèi)部溫濕度可以通過傳感器傳遞給單片機，使用校驗的方法來檢測傳輸?shù)男畔?，這樣可以有效的提升信息的精準度，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實現(xiàn)需要的光照強度。經(jīng)過對阻值的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)電壓的供應，搜集的模擬信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息可以通過ZigBee的ADC實現(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 設計ZigBee節(jié)點網(wǎng)絡

ZigBee可以使用的網(wǎng)絡拓撲結(jié)有3種，即網(wǎng)狀、樹狀和星狀，該網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和星型的網(wǎng)絡進行比較就會發(fā)現(xiàn)，它的總長度不長、投入不高，且節(jié)點容易實現(xiàn)有效拓展［5］。

3.3 設計ZigBee節(jié)點軟件

ZigBee節(jié)點包括協(xié)調(diào)器、路由以及終端等3個節(jié)點，硬件設計的時候依據(jù)不同的需要來完成，配合軟件功能來不斷實現(xiàn)其他性能。

（1）協(xié)調(diào)器節(jié)點。主要負責電初始化，創(chuàng)建一個網(wǎng)絡環(huán)境對硬件設備進行初始化，接著設置網(wǎng)絡相關信息，是不是需要進行傳輸過程確定，接著傳輸初始化射頻，最后將需要傳輸?shù)男畔⑦M行編寫。

（2）路由節(jié)點。它的主要性能包括傳輸信息、搜集與終端點一樣性能的信息以及有效的執(zhí)行協(xié)調(diào)器傳輸?shù)拿?。路由?jié)點要對各硬件設備進行初始化處理，對定時器進行初始化，這樣可以確保節(jié)點能夠及時的搜集信息和傳輸信息;接著進行循環(huán)檢測信息的接收，有效判斷接收到信息是否及時、準確，依據(jù)接收到的信息來判斷信息的來源，查看信息是協(xié)調(diào)器節(jié)點傳輸?shù)模€是路由器轉(zhuǎn)發(fā)或者是終端節(jié)點傳輸?shù)?，判斷正確以后并制定相應的解決策略［6］，例如是執(zhí)行命令還是傳輸信息。此外，可以設置一定的周期，定時的獲取相關信息。具體情況如圖4所示。

圖4 路由節(jié)點流程圖

（3）終端節(jié)點。主要是負責信息搜集和執(zhí)行節(jié)點指令。主要流程如圖5所示。

3.4 GPRS模塊

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

圖5 終端節(jié)點流程示意圖

4 上位機的作用

該系統(tǒng)的核心控制體系為上位機，它是實現(xiàn)遠程控制的核心內(nèi)容，主要的性能為:對下位機實現(xiàn)有效控制，將監(jiān)控環(huán)境的參數(shù)進行實時反饋，實現(xiàn)與下位機的實時溝通［8］。上位機接收信息也是經(jīng)過串口實現(xiàn)的，依據(jù)獲取的信息做有效的處理，當溫度、濕度達到一定的數(shù)值以后，可以借助串口將命令傳輸給ZigBee節(jié)點將電磁閥斷開實施灌溉，也可以使用手動的辦法來下發(fā)指令實現(xiàn)灌溉。上位機可以通過internet獲取信息并形成電子表格，這樣用戶就會比較直觀的掌握四周環(huán)境的變化。

5 結(jié)語

綜上所述，使用ZigBee無線傳感技術可以在小范圍內(nèi)進行無線互聯(lián)，不需要進行布線，施工成本低，由于無線節(jié)點安裝便利、對其進行更換也很簡單，具有良好的實用性。此外，使用GPRS可以將信息遠程發(fā)送給手機用戶，并利用互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫，在降低成本和能耗的同時，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)點的自組織網(wǎng)絡設計［J］．電子測量技術，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)高等專科學校學報，2011（03）:11-17．

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

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

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

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

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

［8］陳臣．金溝河農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉對流域水資源配置影響與對策［J］．水利技術監(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。