基于ZigBee的滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-科技論文

水資源嚴(yán)重缺乏和水旱災(zāi)害頻繁是我國(guó)的國(guó)情。目前我國(guó)水的利用率僅為45%,而水資源利用率高的國(guó)家已達(dá)70%～80%,解決灌溉用水的問(wèn)題對(duì)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(dòng)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(duì)我國(guó)水資源的合理應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。[1][2]自動(dòng)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(gè)地方,通過(guò)無(wú)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(shí)現(xiàn)灌溉的自動(dòng)化。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
基于ZigBee的滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線通信模塊、濕度傳感器和上位PC監(jiān)控計(jì)算機(jī)，電磁閥和滴箭等構(gòu)成，系統(tǒng)總框圖如圖1所示。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析。ZigBee通信模塊分為主機(jī)模塊和從機(jī)模塊,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎眯切途W(wǎng)絡(luò),即一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)從機(jī)終端模塊。[3]與PC機(jī)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(gè):(1)負(fù)責(zé)組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò),即自動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)；(2)從終端機(jī)節(jié)點(diǎn)取得PC機(jī)需要的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通信。[4]ZigBee終端模塊與濕度傳感器相連,一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)模塊可以根據(jù)需要連接多個(gè)測(cè)濕度的探頭。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)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(chǔ)器)、數(shù)據(jù)傳輸模塊(無(wú)線收發(fā)器)組成。[5]數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,本設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)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(wú)線通信模塊CC2430組成。[6]
軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wú)線收發(fā)。本系統(tǒng)所用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是IAREmbeddedWork-bench7.20，傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的流程如圖2所示。
傳感器節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后選擇信道并加入現(xiàn)有的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，休眠等待接收信號(hào)，當(dāng)接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的查詢信號(hào)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送回協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。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(shí)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(tīng)信道。組網(wǎng)成功的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示如圖3所示。
結(jié)語(yǔ)
本文提出了基于ZigBee的自動(dòng)滴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的傳感器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及相應(yīng)的軟、硬件系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)滴灌自動(dòng)控制，并且具有很好的可靠性和穩(wěn)定性。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)路技術(shù)的推廣，無(wú)線自動(dòng)滴灌控制技術(shù)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。