基于ZigBee的滴灌自動控制系統(tǒng)的設(shè)計-科技論文

水資源嚴重缺乏和水旱災(zāi)害頻繁是我國的國情。目前我國水的利用率僅為45%,而水資源利用率高的國家已達70%～80%,解決灌溉用水的問題對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。在灌溉系統(tǒng)合理地推廣自動化控制技術(shù)，不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，而且對我國水資源的合理應(yīng)用具有指導意義。
ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它依據(jù)IEEE802.15.4標準,在傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)無線通信。[1][2]自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)利用土壤水分傳感器,微處理器,和ZigBee芯片等器件,以網(wǎng)狀埋設(shè)在灌區(qū)的各個地方,通過無線通信網(wǎng)路采集數(shù)據(jù),然后控制灌溉系統(tǒng)的狀態(tài),從而實現(xiàn)灌溉的自動化。
系統(tǒng)總體設(shè)計
基于ZigBee的滴灌自動控制系統(tǒng)由ZigBee無線通信模塊、濕度傳感器和上位PC監(jiān)控計算機，電磁閥和滴箭等構(gòu)成，系統(tǒng)總框圖如圖1所示。上位機主要負責測量數(shù)據(jù)的存儲、分析。ZigBee通信模塊分為主機模塊和從機模塊,網(wǎng)絡(luò)拓撲采用星型網(wǎng)絡(luò),即一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個從機終端模塊。[3]與PC機相連的模塊作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,它的主要任務(wù)有兩個:(1)負責組織無線網(wǎng)絡(luò),即自動搜尋網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點；(2)從終端機節(jié)點取得PC機需要的數(shù)據(jù),實現(xiàn)終端節(jié)點與上位機之間的通信。[4]ZigBee終端模塊與濕度傳感器相連,一個終端節(jié)點模塊可以根據(jù)需要連接多個測濕度的探頭。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理模塊(微處理器、存儲器)、數(shù)據(jù)傳輸模塊(無線收發(fā)器)組成。[5]數(shù)據(jù)采集單元負責監(jiān)測植物生長環(huán)境參數(shù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,本設(shè)計中數(shù)據(jù)采集單元主要是土壤濕度傳感器，溫度傳感器，光照傳感器；數(shù)據(jù)處理單元負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸單元負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸單元主要由相應(yīng)的通信協(xié)議(主要是MAC協(xié)議)及低功耗、短距離的無線通信模塊CC2430組成。[6]
軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要任務(wù)是實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，傳感器工作的控制以及數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。本系統(tǒng)所用的開發(fā)環(huán)境是IAREmbeddedWork-bench7.20，傳感器節(jié)點軟件設(shè)計的流程如圖2所示。
傳感器節(jié)點上電后，首先進行系統(tǒng)的初始化，然后選擇信道并加入現(xiàn)有的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，休眠等待接收信號，當接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)出的查詢信號后，進行數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送回協(xié)調(diào)器節(jié)點。設(shè)備上電后將掃描信道，加入合適的網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后將把16位網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)給協(xié)調(diào)器。設(shè)備工作時將周期地輪詢路由器，看是否有采集數(shù)據(jù)的命令信息，若有，則采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器，否則繼續(xù)偵聽信道。組網(wǎng)成功的網(wǎng)絡(luò)拓撲顯示如圖3所示。
結(jié)語
本文提出了基于ZigBee的自動滴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，并設(shè)計開發(fā)了相應(yīng)的傳感器和協(xié)調(diào)器節(jié)點以及相應(yīng)的軟、硬件系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)滴灌自動控制，并且具有很好的可靠性和穩(wěn)定性。隨著無線傳感器網(wǎng)路技術(shù)的推廣，無線自動滴灌控制技術(shù)將會得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。