基于ZigBee的滴灌自動控制系統的設計-科技論文

水資源嚴重缺乏和水旱災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。在灌溉系統合理地推廣自動化控制技術，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、低數據速率、低成本的無線網絡技術,它依據IEEE802.15.4標準,在傳感器之間相互協調實現無線通信。[1][2]自動節(jié)水灌溉系統利用土壤水分傳感器,微處理器,和ZigBee芯片等器件,以網狀埋設在灌區(qū)的各個地方,通過無線通信網路采集數據,然后控制灌溉系統的狀態(tài),從而實現灌溉的自動化。
系統總體設計
基于ZigBee的滴灌自動控制系統由ZigBee無線通信模塊、濕度傳感器和上位PC監(jiān)控計算機，電磁閥和滴箭等構成，系統總框圖如圖1所示。上位機主要負責測量數據的存儲、分析。ZigBee通信模塊分為主機模塊和從機模塊,網絡拓撲采用星型網絡,即一個網絡協調器和若干個從機終端模塊。[3]與PC機相連的模塊作為網絡協調器,它的主要任務有兩個:(1)負責組織無線網絡,即自動搜尋網絡中的終端節(jié)點；(2)從終端機節(jié)點取得PC機需要的數據,實現終端節(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)點模塊可以根據需要連接多個測濕度的探頭。
系統硬件設計
傳感器節(jié)點由數據采集模塊(傳感器、A／D轉換器)、數據處理模塊(微處理器、存儲器)、數據傳輸模塊(無線收發(fā)器)組成。[5]數據采集單元負責監(jiān)測植物生長環(huán)境參數采集和數據轉換,本設計中數據采集單元主要是土壤濕度傳感器，溫度傳感器，光照傳感器；數據處理單元負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理、任務管理等；數據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)采集數據；數據傳輸單元主要由相應的通信協議(主要是MAC協議)及低功耗、短距離的無線通信模塊CC2430組成。[6]
軟件設計
系統軟件設計的主要任務是實現無線網絡的組網，傳感器工作的控制以及數據的無線收發(fā)。本系統所用的開發(fā)環(huán)境是IAREmbeddedWork-bench7.20，傳感器節(jié)點軟件設計的流程如圖2所示。
傳感器節(jié)點上電后，首先進行系統的初始化，然后選擇信道并加入現有的ZigBee無線網絡，休眠等待接收信號，當接收到網關節(jié)點發(fā)出的查詢信號后，進行數據的采集并發(fā)送回協調器節(jié)點。設備上電后將掃描信道，加入合適的網絡，加入網絡后將把16位網絡地址發(fā)給協調器。設備工作時將周期地輪詢路由器，看是否有采集數據的命令信息，若有，則采集數據并把數據發(fā)給協調器，否則繼續(xù)偵聽信道。組網成功的網絡拓撲顯示如圖3所示。
結語
本文提出了基于ZigBee的自動滴灌控制系統的設計方法，并設計開發(fā)了相應的傳感器和協調器節(jié)點以及相應的軟、硬件系統。實驗結果表明，該系統能夠實現滴灌自動控制，并且具有很好的可靠性和穩(wěn)定性。隨著無線傳感器網路技術的推廣，無線自動滴灌控制技術將會得到更廣泛的應用和發(fā)展。