郭國法　許萌　張開生

摘要：針對當前我國農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率低下的現(xiàn)狀，設計了1套基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡（ZigBee WSN）的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)通過田間數(shù)據(jù)采集終端采集土壤墑情信息，經(jīng)ZigBee WSN傳送至上位機系統(tǒng)，由上位機分析并作出相應的灌溉決策，繼而命令相應的灌溉設備實施灌溉作業(yè)。通過引入傳感器權值自適應融合算法，在一定程度上提升了系統(tǒng)的決策精度和決策合理性。仿真驗證表明，傳感器權值自適應融合算法能夠明顯地降低系統(tǒng)獲取信息的冗余性、矛盾性、不確定性，從而較好地提升了系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。

關鍵詞：ZigBee技術；節(jié)水灌溉；數(shù)據(jù)融合；無線傳感器網(wǎng)絡

中圖分類號： S126；S274.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0513-06

收稿日期：2014-11-07

基金項目：陜西省西安市科技局項目[編號：CXY1343（6）]；陜西省西安市未央?yún)^(qū)科技局項目（編號：2012-03）。

作者簡介：郭國法（1962—），男，山西陵川人，碩士，教授，研究方向為電氣控制。E-mail：849738384@qq.com。

通信作者：許萌，碩士，研究方向為嵌入式物聯(lián)網(wǎng)。E-mail：sine1991@foxmail.com。目前，我國絕大多數(shù)地區(qū)的農(nóng)業(yè)依舊處于粗獷型經(jīng)營管理方式之下，科技含量和自動化程度普遍偏低，這不僅大大地制約了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且造成了各種資源的極大浪費。就農(nóng)業(yè)灌溉而言，我國普遍采用落后的大水漫灌方式，加上灌溉設施的老化、損毀和缺乏科學的灌溉量化指標，致使相當一部分的灌溉用水在灌溉過程中損耗[1]。研究表明，我國灌溉用水的有效利用率僅為40%左右，遠低于發(fā)達國家70%～80%的水平。這種高消耗、低效率的灌溉方式已成為制約我國農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的瓶頸之一[2]。

1系統(tǒng)總體設計方案

針對當前現(xiàn)狀，本研究設計了1種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由田間數(shù)據(jù)采集終端、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡、上位機系統(tǒng)、灌溉執(zhí)行機構以及遠程控制終端（可選）組成（圖1）。其中，上位機系統(tǒng)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡獲取田間數(shù)據(jù)采集終端所監(jiān)測到的土壤墑情信息，并結(jié)合不同的作物種類以及作物生長階段，分析和制訂出不同的灌溉方案，達到合理調(diào)配水源、提高水源利用率的目的。上位機系統(tǒng)可以通過與Internet之間的聯(lián)通，實現(xiàn)遠程終端對系統(tǒng)的控制，用戶可使用遠程計算機或手持設備（智能手機、掌上電腦等）通過Internet方便地操控系統(tǒng)[1-2]，提升了系統(tǒng)使用的靈活性和便利性。同時，在土壤墑情數(shù)據(jù)的采集過程中引入數(shù)據(jù)融合技術，可以顯著增強和提升系統(tǒng)在野外惡劣工況下對噪聲的抵御能力和監(jiān)測精度，使得系統(tǒng)具有較高的推廣和實用價值。

2硬件系統(tǒng)設計

2.1ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的設計

ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構可分為以下3種類型：星型（Star）網(wǎng)絡、網(wǎng)型（Mesh）網(wǎng)絡、樹簇型（Cluster Tree）網(wǎng)絡。其中網(wǎng)型網(wǎng)絡的各路由節(jié)點之間彼此建立對等連接，終端節(jié)點的信息可通過多條不同的路由到達協(xié)調(diào)器（圖2）。該拓撲結(jié)構不僅可以有效地均衡網(wǎng)絡負載，而且具有較強的網(wǎng)絡自愈能力，即使某個路由器發(fā)生故障，數(shù)據(jù)也可通過其他路由器送達目的地。此外，網(wǎng)形網(wǎng)絡組網(wǎng)方便、適應性強，能夠自動感測網(wǎng)絡拓撲變化并調(diào)整通信路由以獲取最有效的傳輸路徑，且整個過程無需人工干預。最后，得益于網(wǎng)絡中眾多的路由節(jié)點，終端節(jié)點可以用較低的功率將數(shù)據(jù)發(fā)送到鄰近路由節(jié)點，從而降低了節(jié)點之間的干擾，提高了信道的質(zhì)量和利用率。綜上，網(wǎng)型網(wǎng)絡拓撲是較為理想的選擇。

2.2無線收發(fā)芯片的選型

系統(tǒng)采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2530無線收發(fā)芯片。該芯片是一顆專為2.4 GHz IEEE802.15.4以及ZigBee應用而設計的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。基于該芯片，可以用比較低廉的成本搭建起各類型的網(wǎng)絡節(jié)點，只需極少的外圍元件便可確保短距離通信的有效性和可靠性。因此，系統(tǒng)中的終端、路由和協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件架構均基于CC2530芯片進行設計。CC2530集優(yōu)越的RF收發(fā)性能、工業(yè)標準增強型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 kB RAM等優(yōu)秀特性于一體，并兼具多種工作模式，使其尤為適合對功耗有著苛刻要求的系統(tǒng)。芯片傳輸數(shù)據(jù)率最高可達250 kb/s，可以滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)率的要求。且使用該芯片組成的設備具有體積小、功耗低，組網(wǎng)靈活、抗毀壞性強等優(yōu)點，能夠較好地適應野外復雜多變的工作環(huán)境。

2.3數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的設計

在ZigBee無線網(wǎng)絡中，通常有全功能設備（FFD）和簡化功能設備（RFD）2種類型的設備。由于數(shù)據(jù)采集終端只進行數(shù)據(jù)采集和處理，無需承擔額外的路由轉(zhuǎn)發(fā)任務，因此可將數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點設置為RFD類型，以降低設備成本和功耗。

終端節(jié)點的原理是外部晶振為CC2530芯片的工作提供基準時鐘頻率，射頻天線與CC2530之間的LC網(wǎng)絡則用于阻抗匹配[3]，傳感器與CC2530相連接，并由CC2530完成A/D轉(zhuǎn)換（圖3）。由于終端節(jié)點在空閑時間可以進入深度睡眠狀態(tài)（PM3模式），僅在工作時由外部定時器產(chǎn)生中斷將其喚醒至正常工作狀態(tài)（PM0模式），因此功耗極低，僅靠2節(jié)串聯(lián)的5號1.5 V干電池即可維持設備正常工作至少半年以上。

2.4路由節(jié)點的設計

由于路由節(jié)點負責眾多終端節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由的維持和發(fā)現(xiàn)，因此路由節(jié)點的工作負荷較重，應優(yōu)先考慮設備性能而非設備功耗，故將路由節(jié)點設置為FFD設備類型，其硬件架構與圖3所示的數(shù)據(jù)采集終端基本一致，只是去除傳感器和外部定時器部分并改變芯片供電方式。由于優(yōu)先考慮設備性能，因此路由節(jié)點采用較為穩(wěn)定的太陽能電池板加蓄電池的供電方式：當日間陽光較強時，通過太陽能電池對設備供電，同時將多余電能存儲到蓄電池；當光線不足時，則使用蓄電池供電[1-3-4]。為防止過度充電對蓄電池帶來的損害，系統(tǒng)采用CN3063充電管理芯片對充電過程進行管控（圖4）。此外，針對某些路由節(jié)點距離協(xié)調(diào)器節(jié)點較遠這一實際情況，

在這些路由節(jié)點上額外配備了CC2592射頻前端（RF Front）芯片以擴展通信范圍（圖5）。

2.5協(xié)調(diào)器節(jié)點的設計

在1個ZigBee網(wǎng)絡中，至少存在1個FFD設備充當整個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通常負責開始（建立）1個網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡建立完成之后，協(xié)調(diào)器一般會作為一個普通的路由節(jié)點而

繼續(xù)存在于網(wǎng)絡中。因此，協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設計與路由節(jié)點的硬件設計基本一致，其主要不同之處在于協(xié)調(diào)器負責將來自于各終端設備的數(shù)據(jù)通過RS-232串行口傳送至上位機[5]?？紤]到RS-232接口與CC2530所使用的邏輯電平之間并不兼容，故需進行必要的電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片（圖6）。

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用IAR Workbench 7.0進行ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中各類型節(jié)點的軟件部分設計。由于各節(jié)點之間的通訊遵循TI公司推出的Z-Stack 2007通訊協(xié)議棧，故所有節(jié)點軟件均在Z-Stack 2007所提供的SampleApp程序框架之下進行設計，以降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期。

3.1數(shù)據(jù)采集終端程序設計

數(shù)據(jù)采集終端完成初始化設置之后，隨即加入到ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡并執(zhí)行定時采集和發(fā)送土壤墑情信息的任務。當數(shù)據(jù)采集終端對土壤墑情數(shù)據(jù)進行采集并向父級路由節(jié)點發(fā)送完成之后，即可進入休眠模式（PM3）以節(jié)省電池電力（圖7）。待下一采樣時刻來臨時，通過來自于定時器的外部中斷信號將節(jié)點從休眠模式中喚醒至正常工作狀態(tài)（PM0），執(zhí)行新一輪的采集和發(fā)送任務[6]。

3.2路由節(jié)點程序設計

路由節(jié)點通過多跳路由將來自于各個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，對于來自于其他路由節(jié)點的數(shù)據(jù)，還應視情況進行轉(zhuǎn)發(fā)或廣播。此外，路由節(jié)點還擔負著路由的發(fā)現(xiàn)和維持任務，因此路由節(jié)點的功能相對復雜。在系統(tǒng)所使用的ZigBee無線網(wǎng)絡中，存在多個路由節(jié)點，這些路由節(jié)點之間通過路由表和路由發(fā)現(xiàn)功能構成了一個具有相當穩(wěn)定性和較強自愈能力的無線網(wǎng)絡，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性（圖8）。

3.3協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設計

在ZigBee網(wǎng)絡的建立過程中，協(xié)調(diào)器在完成自身必要的硬件初始化工作以后，隨即初始化通訊協(xié)議棧并檢視當前無線電環(huán)境，然后選擇一個可用的信道（Channel）和網(wǎng)絡標識（PAN ID）并開始這個網(wǎng)絡，1個ZigBee網(wǎng)絡中通常只允許有1個協(xié)調(diào)器（圖9）。在網(wǎng)絡建立完成之后，協(xié)調(diào)器將會以路由節(jié)點的身份繼續(xù)工作，所有終端節(jié)點的數(shù)據(jù)都在協(xié)調(diào)器節(jié)點匯聚，并通過RS-232串口發(fā)送至上位機[4]。

3.4上位機程序設計

上位機系統(tǒng)是整個節(jié)水灌溉系統(tǒng)的控制、決策和管理中心。通過模式切換指令，上位機可以在自動和人工2種模式之間自由切換。在自動模式下，上位機系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫程序和數(shù)據(jù)分析程序，對終端節(jié)點回傳的數(shù)據(jù)進行各種處理：包括對灌溉執(zhí)行機構的指令控制[7]、節(jié)點數(shù)據(jù)的融合、存儲及分析等（圖10）。通過信息反饋程序?qū)⑼寥缐勄閿?shù)據(jù)、系統(tǒng)工況等信息以圖表的形式直觀地顯示出來，方便用戶查看[8]。在人工模式下， 用戶可以通過本地或遠程的方式登錄到系統(tǒng)并對系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)視和干預，例如查看當前系統(tǒng)工況，通過數(shù)據(jù)庫查詢作物生長的歷史數(shù)據(jù)等（圖10）。登錄控制程序負責用戶鑒權，防止系統(tǒng)的關鍵參數(shù)設置遭受到來自管理員以外的人惡意修改。

4數(shù)據(jù)融合算法設計

通常在一段時間內(nèi)，某一區(qū)域內(nèi)土壤的溫度或濕度會處于相對恒定的狀態(tài)，但由于戶外復雜的工作環(huán)境和傳感器制造過程中存在的工藝分散性，使得各傳感器之間的性能有所差異，導致多個數(shù)據(jù)采集終端在對同一區(qū)域的土壤墑情數(shù)據(jù)采集過程中，往往獲得多個不同的測量值。由于這些測量值之間的冗余、矛盾和不確定性，使系統(tǒng)難以獲得對被測對象較為一致的描述，也給灌溉系統(tǒng)決策和規(guī)劃的正確性造成不利影響。為了減弱這種影響，本系統(tǒng)采用傳感器權值自適應融合算法，在不增加系統(tǒng)成本的前提下，通過計算機程序?qū)ν槐粶y區(qū)域內(nèi)的多個終端節(jié)點測量數(shù)據(jù)進行融合，以提升系統(tǒng)的可靠性和精確度[9]。這種算法的優(yōu)勢在于：無需任何與傳感器有關的先驗知識，僅依靠各傳感器測量方差的變化，動態(tài)地調(diào)整各傳感器的權值，使得融合結(jié)果的整體均方誤差總是保持最小，避免了因先驗知識不準確而出現(xiàn)的融合精度降低甚至算法發(fā)散現(xiàn)象，而且較常規(guī)的算術平均值融合算法而言，該算法具有更高的融合精度。

4.1傳感器權值自適應融合算法原理

假設用N個傳感器同時測量某一真值為Y的被測對象，設每個傳感器的測量值分別為Yj （j=1，2，…，N） （圖11）。

綜上所述，傳感器權值自適應權值融合算法的計算機軟件實現(xiàn)可依照圖12所示的流程進行。

4.3算法仿真與分析

以測量土壤濕度為例，設有3個濕度傳感器同時測量某一區(qū)域的土壤濕度，設該區(qū)域的土壤濕度真值為23%相對濕度（在某一時段內(nèi)可認為恒定），在此真值的基礎上分別加入均值為0，方差為0.1、0.3、0.5的高斯白噪聲序列， 用來模擬

3個具有不同測量精度的傳感器的測量數(shù)據(jù)。利用計算機仿真100次融合過程，同時分析融合過程中傳感器權值隨傳感器方差的變化情況和融合輸出的結(jié)果。

傳感器的測量方差越大，其對應的傳感器權值就越小，從而有效地避免了誤差較大的傳感器對融合精確度所造成的不利影響。并且在融合過程中，傳感器權值緊隨方差的變化而變化，充分體現(xiàn)了“傳感器權值自適應于傳感器測量方差”的算法特點（圖13至圖14）。因此，算法的融合精確度非常明顯地優(yōu)于常規(guī)的平均值融合算法，也使得系統(tǒng)對噪聲的容限能力顯著增強（圖15）。

5結(jié)論

本研究基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計了1套智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，充分利用了ZigBee設備組網(wǎng)方便靈活、低能耗、低成本、高可靠性的優(yōu)點，使系統(tǒng)在一定灌溉范圍內(nèi)具有較好的伸縮性，能夠滿足不同種植規(guī)模的灌溉需求。同時結(jié)合現(xiàn)代數(shù)據(jù)融合技術，提升了系統(tǒng)的容錯性、決策和規(guī)劃的合理

性。仿真結(jié)果表明，使用傳感器權值自適應數(shù)據(jù)融合算法能夠使系統(tǒng)獲得更接近于真值的數(shù)據(jù)，在提升系統(tǒng)精確度的同時，降低了對噪聲的敏感度。系統(tǒng)整體設計符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化、精細化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢，具有一定的推廣前景和應用價值。

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