滕紅麗 李承輝 仝浩遠(yuǎn) 楊祥強(qiáng) 賈書恒*

（1、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，河南 鄭州450002 2、河南省通信工程局有限責(zé)任公司，河南 鄭州450002）

我國(guó)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水量大，占水資源總量的一半以上，而且農(nóng)田用水灌溉效率低下和用水浪費(fèi)的問(wèn)題普遍存在。據(jù)資料[1,2]顯示，目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)土地平均浪費(fèi)水資源10t/hm2，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.53，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家0.80 的平均水平。因此，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水管理，發(fā)展節(jié)水灌溉，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

本文提出一種基于ZigBee 技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，可以根據(jù)作物的需水情況進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉，系統(tǒng)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、靈活、成本低、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、可維護(hù)性高、適用性好等特點(diǎn)，能夠節(jié)約水資源、滿足我國(guó)智能節(jié)水灌溉的迫切需求。

1 整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、電磁閥控制器、風(fēng)機(jī)控制器、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)組成，如圖1 所示。圖中的1 號(hào)～X 號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和土壤環(huán)境參數(shù)；每個(gè)溫室設(shè)置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，該路由節(jié)點(diǎn)收集本溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)信息、下發(fā)上位機(jī)送來(lái)的灌溉指令和抽濕指令、轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的指令和數(shù)據(jù)；溫室內(nèi)路由節(jié)點(diǎn)將本溫室內(nèi)的參數(shù)信息通過(guò)其他路由節(jié)點(diǎn)再轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，通過(guò)以太網(wǎng)上傳給上位機(jī)；上位機(jī)對(duì)接收的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并存儲(chǔ)，得到當(dāng)前作物的灌溉決策。當(dāng)需要灌溉時(shí)，上位機(jī)發(fā)出灌溉指令，通過(guò)網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)后下發(fā)給無(wú)線電磁閥控制器，由無(wú)線電磁閥控制器驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，開始進(jìn)行灌溉作業(yè)。當(dāng)上位機(jī)根據(jù)灌溉情況決策為灌溉用水已經(jīng)滿足需求時(shí)，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)和路由節(jié)點(diǎn)下發(fā)停止灌溉的指令給無(wú)線電磁閥控制器，停止灌溉。當(dāng)上位機(jī)判斷出溫室內(nèi)濕度不適宜、作物不需水時(shí)，下發(fā)抽濕指令給無(wú)線風(fēng)機(jī)控制器，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)動(dòng)作。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，1～X號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)、電磁閥控制器、風(fēng)機(jī)控制器是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，只收發(fā)數(shù)據(jù)，不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)時(shí)采用精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD，網(wǎng)關(guān)是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，和路由節(jié)點(diǎn)一樣都能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，采用全功能設(shè)計(jì)FFD。

2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，因各節(jié)點(diǎn)分布分散，不可能采用市電作為供電電源，因此，節(jié)點(diǎn)功耗是設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的問(wèn)題。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用MSP430 系列單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)的主控芯片，無(wú)線收發(fā)模塊采用低功耗、具有睡眠模式的CC2530 芯片。終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)的控制核心采用CC2530。CC2530 是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的內(nèi)核為增強(qiáng)型的8051 單片機(jī)的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)，提供了101dB 的鏈路質(zhì)量，不僅具有優(yōu)秀的接收器靈敏度，而且還具有健壯的抗干擾性。CC2530 有8 kB 的RAM 、32/64/128/256 KB 的閃存、2 個(gè)USART、12 位ADC 和21 個(gè)通用GPIO，等廣泛的外設(shè)集。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)功能主要是對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)、土壤參數(shù)信息的收集以及對(duì)溫室風(fēng)機(jī)、灌溉用電磁閥進(jìn)行控制，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、電磁閥控制器節(jié)點(diǎn)和風(fēng)機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由處理器模塊、無(wú)線通信模塊、傳感器模塊和電源模塊組成。電磁閥控制器節(jié)點(diǎn)由處理器模塊、無(wú)線通信模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和電源模塊組成。風(fēng)機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)由處理器模塊、無(wú)線通信模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電源模塊組成。它們都通過(guò)ZigBee 協(xié)議與本溫室的路由節(jié)點(diǎn)通信，將3 種節(jié)點(diǎn)表示在一個(gè)結(jié)構(gòu)圖上，如圖2 所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

圖3 溫室內(nèi)路由節(jié)點(diǎn)

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量環(huán)境參數(shù)和土壤環(huán)境參數(shù)，包括溫室溫度、濕度、光照度、CO2濃度，作物生長(zhǎng)區(qū)土壤的含水量、土壤溫度、土壤電導(dǎo)率，在本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理后，將這些信息經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，送至上位機(jī)。傳感器節(jié)點(diǎn)上電后立即搜尋并請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)也會(huì)將自己綁定到本溫室內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)，為該節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。然后進(jìn)入“休眠- 定時(shí)喚醒，采集數(shù)據(jù)——休眠”的低功耗工作模式。根據(jù)一般情況下作物環(huán)境參數(shù)短時(shí)間變化不大的特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)15 分鐘完成一次數(shù)據(jù)采集。

電磁閥控制器節(jié)點(diǎn)、風(fēng)機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程類似，不同的是，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)入休眠狀態(tài)，若上位機(jī)或溫室內(nèi)路由節(jié)點(diǎn)有灌溉或抽濕指令送來(lái)，則被喚醒，執(zhí)行作業(yè)，判斷是否有結(jié)束指令送來(lái)，若有，停止灌溉或抽濕，再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)有兩種類型：一種是各溫室內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)，另一種是只進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的一般路由節(jié)點(diǎn)。從可靠性上考慮，若上位機(jī)到溫室之間的通訊出現(xiàn)故障，為保障單個(gè)溫室還能獨(dú)立正常運(yùn)行，溫室內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)在設(shè)置的極限情況下能向電磁閥控制器和風(fēng)機(jī)控制器發(fā)出作業(yè)指令，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，除電源模塊和無(wú)線收發(fā)模塊外，還有E2PROM存儲(chǔ)器、按鍵模塊和液晶顯示模塊。使用按鍵模塊可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、查詢，灌溉、抽濕的閾值設(shè)置等與處理器的交互。顯示模塊包括液晶顯示和LED顯示燈，用來(lái)顯示本溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，灌溉、抽濕閾值，電磁閥、風(fēng)機(jī)狀態(tài)，本節(jié)點(diǎn)的電源、通信等狀態(tài)等。E2PROM保存本溫室的環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)，設(shè)置的灌溉、抽濕閾值等信息。一般路由節(jié)點(diǎn)只有電源和無(wú)線通信模塊。

一般路由節(jié)點(diǎn)上電后先初始化硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)需要的各個(gè)模塊，然后搜索網(wǎng)關(guān)，若找到，路由節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，并等待網(wǎng)關(guān)響應(yīng)。網(wǎng)關(guān)收到路由節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求后，若允許加入，路由節(jié)點(diǎn)獲得由網(wǎng)關(guān)分配的一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，然后路由節(jié)點(diǎn)等待接收與之相連的子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自網(wǎng)關(guān)、其他路由節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)經(jīng)本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。

2.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器的作用，即組建整個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)、匯聚傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、傳送灌溉指令和抽濕指令，在上位機(jī)和終端節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和命令。每個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)有且只有一個(gè)網(wǎng)關(guān)，不同ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)ID 號(hào)不一樣，以免引起沖突。網(wǎng)關(guān)始終處于監(jiān)聽狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)配地址并計(jì)算其路由信息，更新路由轉(zhuǎn)發(fā)表，實(shí)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)為不能掉電的設(shè)備，沒(méi)有低功耗狀，網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖在圖3 的基礎(chǔ)上增加了RS232 通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊。網(wǎng)關(guān)的處理器模塊使用MSP430 單片機(jī)。在系統(tǒng)運(yùn)行前，首先需要通過(guò)上位機(jī)用RS232串口通信模塊對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置，設(shè)置好IP 地址、網(wǎng)關(guān)、通信端口等參數(shù)，才可以使用以太網(wǎng)口和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

MSP430 單片機(jī)上電后，進(jìn)行軟硬件的初始化，開始運(yùn)行ZigBee 協(xié)議棧執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，包括設(shè)置網(wǎng)關(guān)的短地址為0、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的PANID、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的最大深度、設(shè)置網(wǎng)關(guān)可以處理的具有路由功能的子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)、選擇通信信道等。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建完成后，開始監(jiān)聽網(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，將指令傳送到微處理器、電磁閥控制器或風(fēng)機(jī)控制器，若是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，則使用ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行解析，然后打包為以太網(wǎng)交互數(shù)據(jù)，傳送給上位機(jī)。

3 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王進(jìn)行開發(fā)，單個(gè)溫室的監(jiān)控界面如圖4 所示。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查看、灌溉和抽濕指令的下發(fā)。在工作過(guò)程中，上位機(jī)不斷接收信息，將溫室環(huán)境和土壤環(huán)境實(shí)時(shí)的顯示在上位機(jī)界面中。同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄接收到的數(shù)據(jù)，寫在Excel 表中，作為記錄，可用于用戶分析。根據(jù)接收到的參數(shù)信息，執(zhí)行灌溉算法和抽濕算法，判斷出需要灌溉和抽濕時(shí)，發(fā)送灌溉指令和抽濕指令給指定的溫室。

結(jié)束語(yǔ)

本文研究設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，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)。系統(tǒng)充分利用了ZigBee 設(shè)備低能耗、低成本、可靠性高、自組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)，在一定灌溉范圍內(nèi)根據(jù)作物的需水情況進(jìn)行灌溉，從而達(dá)到精準(zhǔn)灌溉的目的。