1、本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目:基于ZigBee的滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名: 史小燕 學(xué) 院: 工學(xué)院 專 業(yè): 農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化 班 級(jí): 電氣54班 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師: 汪小旵 職稱: 教授 200 9 年 5 月 22 日南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制目 錄摘 要:關(guān)鍵詞:Abstract:Key words:引 言1 ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)1.1 ZigBee技術(shù)概述1.2 ZigBee協(xié)議棧1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.4 ZigBee的主要芯片CC24302硬件實(shí)現(xiàn)2.1系統(tǒng)概述2.2 ZigBee無(wú)線模塊設(shè)計(jì)2.2.1ZigBee模塊基本結(jié)構(gòu)2.2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)2

2、.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)2.3 農(nóng)田灌區(qū)的設(shè)計(jì)2.4傳感器模塊設(shè)計(jì)2.4.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)2.4.2濕度傳感器模塊2.4.3溫度傳感器模塊2.4.4光敏傳感器模塊2.5 滴管的設(shè)計(jì)3軟件實(shí)現(xiàn)3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)3.2.1數(shù)據(jù)傳輸3.2.3 數(shù)據(jù)采集3.3 ZigBee自組網(wǎng)4滴灌算法的研究4.1滴灌試驗(yàn)設(shè)計(jì)4.2滴灌灌溉制度的確定4.3 多傳感器融合算法5結(jié)語(yǔ)與展望致謝參 考 文 獻(xiàn)：基于 ZigBee的滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生 史小燕指導(dǎo)教師 汪小旵摘 要:發(fā)展節(jié)水滴灌是解決農(nóng)業(yè)灌溉缺水的出路，ZigBee技術(shù)是最近幾年提出的一種

3、雙向低功耗無(wú)線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。本文介紹了一種基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水滴灌控制系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)（包括節(jié)點(diǎn)的加入，網(wǎng)絡(luò)地址的分配、數(shù)據(jù)采集等）硬件和軟件的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)研究了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)倪^(guò)程。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)植物土壤水分的變化,通過(guò)無(wú)線傳感器的反饋數(shù)據(jù)對(duì)植物采取有效的自動(dòng)節(jié)水滴溉措施。關(guān)鍵詞: ZigBee; 無(wú)線傳感器; 自動(dòng)滴灌; 自組網(wǎng)Design For Wireless Automatic Controlling System Of Drip Irrigation Based on Z

4、igBeeStudent major in Agricultural Electrical and automation Shi XiaoyanTutor Wang XiaohanAbstract: Develop water-saving drip irrigation is the solution to water shortages out, ZigBee technology is put forward in recent years, a two-way low-power wireless communications technology, are mainly applic

5、able to the field of automatic control and remote control. In this paper, a ZigBee-based wireless sensor networks to control the water-saving drip irrigation systems, and the systems network architecture, as well as the coordinator node and sensor nodes (including node join the network address alloc

6、ation, data acquisition, etc.) hardware and software design. Focused on wireless sensor networks, and make network transmission and data acquisition process . The system to monitor soil moisture changes in plants through the wireless sensor feedback data on plants to take effective measures to autom

7、atic water-saving drip irrigation.Key words: ZigBee; wireless sensor; automatic irrigation ; self-networking 引 言農(nóng)業(yè)是人類社會(huì)最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，也是人類頓以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)的發(fā)展從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看很重要，一是水的問(wèn)題，二是科技的問(wèn)題。由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營(yíng)向集約經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個(gè)大的發(fā)展，進(jìn)行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。農(nóng)業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)尤其落后。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉

8、模式自動(dòng)化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對(duì)于給定的量，在操作中也無(wú)法進(jìn)行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動(dòng)時(shí)間和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術(shù)1?，F(xiàn)代智能型控制器是進(jìn)行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準(zhǔn)確性，有利于灌溉過(guò)程的科學(xué)管理，降低對(duì)操作者本身素質(zhì)的要求。除了能大大減少勞動(dòng)量，更重要的是它能準(zhǔn)確、定時(shí)、定量、高效地給作物自動(dòng)補(bǔ)充水分，以提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié)水、節(jié)能?，F(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國(guó)農(nóng)、林、及園藝為數(shù)不多，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，有較大的差距，還基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定每天灌溉次數(shù)和每次灌溉

9、量，如果灌溉量與作物實(shí)際需水量相比太少，便不能有效的促進(jìn)作物健康成長(zhǎng);而灌溉量太多，肥水流失，又會(huì)造成資源浪費(fèi)，同時(shí)傳統(tǒng)的灌溉法還需要相關(guān)專家的實(shí)時(shí)觀察并經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)生產(chǎn)，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，這也不能與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向優(yōu)化、高效化方向發(fā)展要求同步。我國(guó)先后引進(jìn)了以色列、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的部分先進(jìn)灌溉控制設(shè)備，但價(jià)格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)困難，多數(shù)用于農(nóng)業(yè)示范區(qū)、科研單位或高校，而且不符合我國(guó)土壤的應(yīng)用特點(diǎn)。我國(guó)自己的現(xiàn)代灌溉控制器的研制和使用尚處于起步階段，因此，作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)研究開(kāi)發(fā)自己的先進(jìn)的低成本、使用維護(hù)方便、系統(tǒng)功能強(qiáng)且擴(kuò)展容易的國(guó)產(chǎn)化數(shù)字式節(jié)水灌溉器是一項(xiàng)極有意義的工作。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳

10、感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)和傳感器的價(jià)格日益降低，可靠性日益提高，用信息技術(shù)改造農(nóng)業(yè)不僅是可能的而且是必要的。用高新技術(shù)改造農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，實(shí)施節(jié)水灌溉已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展帶戰(zhàn)略性的根本大事2。本課題在設(shè)計(jì)一套能對(duì)作物生長(zhǎng)的土壤濕度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)，它能對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)、適量的灌水，起到高效灌溉，節(jié)水、節(jié)能的作用。發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要途徑是灌溉管理的自動(dòng)化，如美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、日本、以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家已采用了先進(jìn)的灌溉系統(tǒng)。他們采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，采用遙感技術(shù)，監(jiān)測(cè)土壤墑情和作物生長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)和制造了一系列

11、用途廣泛，功能強(qiáng)大的數(shù)字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應(yīng)用。地處干早缺水地帶的以色列，它是世界上微灌技術(shù)發(fā)展最具有代表性的國(guó)家，目前全國(guó)農(nóng)業(yè)土地基本上實(shí)現(xiàn)了灌溉管理自動(dòng)化，并且普遍推行自動(dòng)控制系統(tǒng)，按時(shí)、按量將水、肥直接送入作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產(chǎn)量都相當(dāng)高。北美、澳大利亞韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)都已有發(fā)展成熟并形成系列的灌溉控制器產(chǎn)品，微灌方式普遍采用計(jì)算機(jī)控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關(guān)土壤水分的信息，還有的傳感器系統(tǒng)能通過(guò)檢測(cè)植物的莖和果實(shí)的直徑變化來(lái)決定對(duì)植物的灌水間隔。計(jì)算機(jī)化操作運(yùn)行精密、可靠、節(jié)省人力，對(duì)灌溉過(guò)程的控制可達(dá)到相當(dāng)?shù)木?，在以色列，已?jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦

12、對(duì)灌溉過(guò)程進(jìn)行全部控制(無(wú)線、有線)的農(nóng)場(chǎng)主3。水資源嚴(yán)重缺乏和水旱災(zāi)害頻繁是我國(guó)的國(guó)情。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右,由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下,就全國(guó)范圍而言,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%,因而,解決農(nóng)業(yè)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,不僅可以提高資源利用率,緩解水資源日趨緊張的矛盾,還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量,降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。采用傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)土壤的墑情和農(nóng)作物的生長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。ZigBee于2004年底通過(guò)IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn),是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)

13、據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它依據(jù)802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過(guò)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器,所以它們的通信效率非常高4。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)在農(nóng)田的各個(gè)地方,通過(guò)無(wú)線通信傳播采集數(shù)據(jù),然后控制灌溉系統(tǒng)的狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉的自動(dòng)化。1 ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)1.1 ZigBee技術(shù)概述ZigBee技術(shù)基于 IEEE 802. 15. 4的無(wú)線通信協(xié)議,是一種適用于自動(dòng)化系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制的無(wú)線通訊技術(shù)5，具有成本低、功耗低、復(fù)雜度低、

14、可靠性高、雙向傳輸、組網(wǎng)靈活方便等特點(diǎn)。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee適用于一些簡(jiǎn)單、低成本的無(wú)線局域網(wǎng)，其低耗電特性，只要使用兩節(jié)1.5伏的電池就可維持?jǐn)?shù)月甚至數(shù)年間不用換電池，對(duì)一般工業(yè)環(huán)境或家庭都很適用。ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾方面: 省電。兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間?？煽俊２捎昧伺鲎脖苊鈾C(jī)制,避免了競(jìng)爭(zhēng)和沖突;節(jié)點(diǎn)模塊間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能,信息在整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由方式進(jìn)行傳輸,從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?。時(shí)延短。針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化,通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。網(wǎng)絡(luò)容量大。可支持達(dá)6500

15、0個(gè)節(jié)點(diǎn)。安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能,加密算法采用通用的AES-128。高保密性。采用6 4為出廠編號(hào)并支持AES-128加密。因此,ZigBee技術(shù)十分適合于組建無(wú)人無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。1.2 ZigBee協(xié)議棧ZigBee協(xié)議的整體框架包括物理層、MAC層、數(shù)據(jù)鏈接層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中物理層和MAC層是由IEEE制定,而網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用設(shè)備層是由ZigBee聯(lián)盟制定的，如圖1所示6。用戶只需編寫(xiě)自己需求的最高層應(yīng)用協(xié)議。圖1 ZigBee層次結(jié)構(gòu)物理層：采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)，可提供27個(gè)信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。

16、IEEE802.15.4定義了2.4GHz頻段和868/915MHz頻段兩種物理層標(biāo)準(zhǔn)。物理層的主要功能包括：激活和休眠射頻收發(fā)器，信道能量檢測(cè)，信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示，空閑信道評(píng)估，收發(fā)數(shù)據(jù)。媒體介入層：IEEE 802.15.4 MAC(Medium Access Layer)層提供了兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)使MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的收發(fā)可以通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。管理服務(wù)通過(guò)MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)訪問(wèn)高層。IEEE 802.15.4 MAC層的特征有信標(biāo)管理、信道接入機(jī)制、保證時(shí)隙(GTS)管理、幀確認(rèn)、確認(rèn)幀傳輸、節(jié)點(diǎn)接入和分離。數(shù)據(jù)鏈路層：IEEE8

17、02系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為媒質(zhì)接入層MAC和邏輯鏈路控制層LLC(Logic Link Control Layer)。IEEE802.15.4MAC子層支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸；而LLC子層在MAC子層的基礎(chǔ)上，給設(shè)備提供面向連接和無(wú)連接的服務(wù)。MAC子層功能包括：設(shè)備之間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信號(hào)接入控制，幀校檢等。LLC子層主要功能包括：傳輸可靠性保障和控制，數(shù)據(jù)包的分段與重組，數(shù)據(jù)包的順序傳輸。網(wǎng)絡(luò)層：建立新的網(wǎng)絡(luò)，處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置節(jié)點(diǎn)的協(xié)議堆棧，使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)節(jié)點(diǎn)分配地址，保證節(jié)

18、點(diǎn)之間的同步，提供網(wǎng)絡(luò)的路由，保證數(shù)據(jù)的完整性，使用可選的AES-128對(duì)通信加密。應(yīng)用接口層：主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)，業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)，安全與鑒權(quán)，多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚。1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種:星形網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)、混合網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。其中星形網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)輻射狀系統(tǒng),數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)傳輸。如果用通信模塊構(gòu)造星形網(wǎng)絡(luò),只需要一個(gè)模塊被配置成中心節(jié)點(diǎn),其他模塊可以配置成終端節(jié)點(diǎn)。在ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中,支持全功能設(shè)備( FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)兩種類型的物理設(shè)備6。此外, ZigBee網(wǎng)絡(luò)按照節(jié)點(diǎn)類型來(lái)分

19、,支持3種節(jié)點(diǎn):主節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)就是協(xié)調(diào)器,必須由一個(gè)FFD構(gòu)成,它是網(wǎng)絡(luò)的核心,負(fù)責(zé)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并下發(fā)地址。路由節(jié)點(diǎn)也是一個(gè)FFD ,搜索網(wǎng)絡(luò)并加入,給加入路由的終端節(jié)點(diǎn)分配地址。路由節(jié)點(diǎn)僅是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)無(wú)線收發(fā)器,負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)通信和維護(hù)網(wǎng)內(nèi)路徑。終端節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中最簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn),可以是一個(gè)FFD或者RFD。 星型結(jié)構(gòu) 樹(shù)型結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 協(xié)調(diào)器 全功能器件 縮減功能器件圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這個(gè)滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)中做實(shí)驗(yàn)時(shí)用星型結(jié)構(gòu)就可以。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)如果灌溉的面積很大也可以用樹(shù)型或網(wǎng)狀的，由路由節(jié)點(diǎn)做數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。1.4 ZigBee的主要芯片CC2430 這個(gè)設(shè)計(jì)做實(shí)

20、驗(yàn)選用的是成都無(wú)線龍通訊科技有限公司產(chǎn)品，其中包括C51RF-3-PK/ C51RF-3-JKS(1個(gè)CC2431模塊、8個(gè)CC2430模塊、電源、USB線)，IAR 集成開(kāi)發(fā)軟件， C51RF-3 仿真器 。在這里主要介紹一下CC2430芯片的組成和原理。ZigBee技術(shù)的片上系統(tǒng)CC2430 是一種無(wú)線單片機(jī), 是高度整合的系統(tǒng)級(jí)射頻收發(fā)器7。CC2430 的主要特點(diǎn)如下:1) 專門(mén)的設(shè)計(jì), 將 ZigBee IEEE 802.15.4 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所需的高頻部分電路全部集成到了電路內(nèi)部。2 ) 采用特殊設(shè)計(jì), 使 8051 微處理器和高頻線路間, 實(shí)現(xiàn)完美的配合, 將高速8051微處理器、

21、32kB(或64kB、128kB)閃存、8k SRAM多種外圍電路、814 的A /D 轉(zhuǎn)換器、4 個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器和 CC2420 無(wú)線芯片等全部設(shè)計(jì)成一只非常小的芯片 (48 腳, 7mm 7mm大小) , 并且內(nèi)置“看門(mén)狗”定時(shí)器7, 真正實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的無(wú)線化、微型化。芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。3) 無(wú)線通訊中需要的大量軟件處理, 包括糾錯(cuò), 防止空氣中包裝碰撞, IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議處理, 網(wǎng)絡(luò)路由, 多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞鹊? 都可以輕易放入無(wú)線單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器中去, 因?yàn)镃C2430這樣的新一代無(wú)線單片機(jī)具有較大的存儲(chǔ)空間。4) 價(jià)格低, 大量購(gòu)買(mǎi)的價(jià)格是 24 美元/片

22、。無(wú)線單片機(jī) CC2430以它的豐富資源、高度集成以及低價(jià)格特別適合農(nóng)業(yè)設(shè)施的單點(diǎn)多參數(shù)采集, 以它強(qiáng)大的無(wú)線通訊功能和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧為構(gòu)建實(shí)用的農(nóng)業(yè)設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)奠定了硬、軟件基礎(chǔ)。圖 4CC2430ZigBee 芯片結(jié)構(gòu)框圖2硬件實(shí)現(xiàn)2.1系統(tǒng)概述基于 ZigBee技術(shù)的無(wú)線測(cè)溫系統(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5。上位 PC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。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)

23、: 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); 從終端機(jī)節(jié)點(diǎn)取得 PC主機(jī)需要的數(shù)據(jù) ,實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與 上位PC機(jī)之間的通信。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。本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滴灌控制系統(tǒng)中通過(guò)加入一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，搭建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，從而將由田間傳感器測(cè)得的信息采集后用于優(yōu)化精確灌溉。軟件基于ZigBee協(xié)議棧，達(dá)到測(cè)量植株滴灌依據(jù)參數(shù)的要求，解決當(dāng)前一般滴灌系統(tǒng)精確度低，人為失誤，適應(yīng)性不強(qiáng)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)滴灌管理的自動(dòng)化、科學(xué)化。圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖2.2 ZigBee無(wú)線模塊設(shè)計(jì)2.2.1ZigBee模塊基本結(jié)構(gòu)

24、本實(shí)驗(yàn)以一臺(tái)PC機(jī)作為基站連接ZigBee協(xié)調(diào)器，若干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為控制各灌區(qū)水流開(kāi)關(guān)的電磁閥。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、AD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)和電源模塊(電池、DCDC能量轉(zhuǎn)換器) 四部分組成。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M A

25、 C協(xié)議)及低功耗、短距離的無(wú)線通信模塊CC2430組成；電源部分主要給傳感器模塊、處理模塊、無(wú)線通訊模塊供電。電路設(shè)計(jì)主要包括四部分，如圖6所示。即對(duì)傳感器檢測(cè)結(jié)果的處理電路、通訊電路、繼電器控制電路及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路。電磁閥的正電源線接到了繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)上，這樣，通過(guò)控制繼電器的吸合就能控制電磁閥電源的通斷，也就控制了灌溉。圖6 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖2.2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位PC機(jī)相連接，并和終端節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器是實(shí)現(xiàn)組星型網(wǎng)的關(guān)鍵。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由電源模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、串口模塊、LED指示燈、處理器 CC2431模塊、天線模塊7部分組成。CC2

26、431的工作電壓為 33.3 V，所以要用電壓轉(zhuǎn)換模塊把電壓從5 V降低到 3.3 V左右；用戶通過(guò)按鍵來(lái)選擇功能菜單，確定采集哪個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)。處理器處理采集的數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口模塊傳給上位機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步處理。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用電路如圖7所示。圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用電路圖2.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器 CC2430 模塊、天線模塊、電源模塊、電源管理模塊、功率放大模塊、LED指示燈 部分組成。LED指示燈由 P1_0口控制，LED 用來(lái)顯示現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。電源模塊主要給處理器和電源管理模塊供電。當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)由 P0_0口選通電源管理模塊，電源管理模塊就可以

27、給傳感器模塊和功率放大器模塊供電了。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，傳感器采集的數(shù)據(jù)信號(hào)放大后給處理器進(jìn)行下一步處理。處理器模塊先把采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)由天線發(fā)出。圖8 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)2.3 農(nóng)田灌區(qū)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件：土地總面積為15m*9m，水源在地邊室內(nèi)。土壤為普通黃土，已種植玉米（香糯品種）90行，其中2行為一組，組內(nèi)行距0.4米，組間行距1米；每行長(zhǎng)度約1516米，行內(nèi)每株間距0.3米左右；于4月底播種，目前多數(shù)已出芽。管網(wǎng)分三路，每組玉米選取生長(zhǎng)較好的一行作為一路，采用不同流量，在滴灌效果上進(jìn)行對(duì)比，余下的30行另其自然生長(zhǎng)；兩塊間的支管間距在一米

28、以上防止相互影響，作物間距0.3米左右，一顆作物加一個(gè)滴頭，傳感器加在生長(zhǎng)良好的植株上。在每行設(shè)置2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，取2個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值來(lái)代表這一行范圍土壤的含水狀況。電磁閥采用24V，繼電器通斷，cc2430節(jié)點(diǎn)內(nèi)51單片機(jī)（c8051f41x）產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)電磁閥進(jìn)行控制。農(nóng)田灌區(qū)結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。圖9 農(nóng)田灌區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)采集田間及氣象數(shù)據(jù)后，將當(dāng)前各地塊土壤含水量與作物適宜含水量相比較，若土壤實(shí)際含水量小于作物要求下限值，便自動(dòng)開(kāi)啟該地塊的電磁閥進(jìn)行灌溉。灌溉過(guò)程中，若出現(xiàn)溫度過(guò)低以及降雨土壤潮濕等情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)暫停當(dāng)前的灌溉任務(wù)，并保存當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)條件滿足時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行未完成的任務(wù)

29、。2.4傳感器模塊設(shè)計(jì)2.4.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。傳感器可以部署至很大的地理區(qū)域。部署節(jié)點(diǎn)的密度,可以根據(jù)需要設(shè)置。自組織網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)有自組織的能力,可自行進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置和管理,自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)。能夠感知對(duì)象移動(dòng)和新節(jié)點(diǎn)加人,具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性?？煽康木W(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)維護(hù)可能性小要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性。以數(shù)據(jù)為中心8。網(wǎng)絡(luò)在獲取指定事件的信息后匯報(bào)給用戶,接近于自然語(yǔ)言交流的習(xí)慣。因而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)中,通過(guò)采集分析分布在地下無(wú)線傳感器的數(shù)據(jù),能夠準(zhǔn)確判斷植物根部土壤的水分缺失狀況,自

30、動(dòng)控制相應(yīng)的閥門(mén)調(diào)節(jié)植物根部的水分,有效地幫助植物管理者維護(hù)植物的生長(zhǎng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大大提高了管理者對(duì)植物維護(hù)的工作效率。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅使每個(gè)節(jié)點(diǎn)便于安裝部署,免去了有線接入的繁瑣過(guò)程,降低了成本,并且基于自組織的網(wǎng)絡(luò)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地連續(xù)的工作,保證數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和及時(shí)更新。節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感器的反饋數(shù)據(jù)對(duì)植物采取有效的維護(hù)措施。2.4.2濕度傳感器模塊濕度傳感器選用在國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)中心購(gòu)買(mǎi)的電容式傳感器STH-01，它具有不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間等特點(diǎn)9。圖10 濕度傳感器STH-01的連接圖一般的濕度傳感器分電阻式和電容式兩種

31、，產(chǎn)品的基本形式都是在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾?，元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā)生很大的變化。把這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。STH-01是電容式的。由于濕度對(duì)應(yīng)溫度有很大的變化，所以里面有熱電阻或者熱電偶作為感溫元件,達(dá)到測(cè)量濕度的目的。STH-01可用于系統(tǒng)集成，進(jìn)行土在壤/基質(zhì)水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。表1 STH-01的主要技術(shù)指標(biāo)如下：參數(shù)指標(biāo)測(cè)量參數(shù)：容積含水率單 位：%（m3m-3 ）量 程：0100%測(cè)量精度：3輸出信號(hào)：4-20ma穩(wěn)定時(shí)間：通電后2 秒 響應(yīng)時(shí)間： 1 秒工作電壓：12vdc工作電流：35ma 左右密封材料：完全防水2.4.3溫度傳感器模塊圖

32、11濕度測(cè)量電路濕度傳感器TC77 是串聯(lián)可訪問(wèn)數(shù)字溫度傳感器，特別適合于低成本、小尺寸應(yīng)用。溫度數(shù)據(jù)由內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換得到，隨時(shí)都可以轉(zhuǎn)化成13位的二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)字。和TC77之間的通信通過(guò)SPI 和 MICROWIRE可兼容接口完成。TC77 有一個(gè)12 位的ADC，溫度分辨率為 0.0625每最低有效位（LSb）（/LSb）。在+25C 到+65C 溫度范圍內(nèi)，TC77 可以精確到1.0C（最大值）。工作電流僅 250A （典型值）。可采用 TC77 的配置寄存器來(lái)激活低功耗的關(guān)斷（Shutdown）模式，電流消耗僅為 0.1A（典型值）。由于尺寸小、成本低、使用方便，TC77 是系統(tǒng)

33、中溫度管理的理想選擇。 表2 TC77的引腳功能表名稱功能SI/O串行數(shù)據(jù)引腳SCK串行時(shí)鐘VSS地CS 片選（低電平有效）NC不連接VDD電源電壓TC77 不需要任何外接元件來(lái)測(cè)量溫度。但是，一般在VDD與VSS（地）引腳之間接一個(gè) 0.1F到 1F的去耦電容（應(yīng)使用高頻率陶瓷電容）。該電容應(yīng)置于盡可能靠近集成電路（IC）電源引腳的位置來(lái)為T(mén)C77提供有效的噪聲抑制功能。 TC77 通過(guò)監(jiān)控模片上二極管的電壓來(lái)測(cè)量溫度。TC77 的 IC 引腳在模片與印刷電路板（PCB）之間提供一條低阻抗的熱通路。這樣，TC77 就可有效地監(jiān)控 PCB的溫度。環(huán)境空氣之間的熱通路沒(méi)有這樣有效，因?yàn)樗芰?IC

34、 外殼封裝可以起到熱絕緣體的作用。因此周圍溫度（假設(shè)周圍空氣與 PCB 之間的溫度梯度較大）對(duì) TC77 測(cè)量的溫度只有些許影響。 如果 TC77 的 SPI 通信線負(fù)載很重，則可能出現(xiàn)自熱式誤差電位。通常，自熱式誤差可以被忽略，因?yàn)?TC77 的電流消耗相對(duì)較小。如果 SPI 通信引腳吸收/流出 TC77 規(guī)定的最大電流，則自動(dòng)發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致 0.5左右的溫度精確度誤差。因此，為了使溫度最精確，應(yīng)使 SPI 信號(hào)的輸出負(fù)載最小。 2.4.4光敏傳感器模塊圖12 光敏傳感器接線圖本設(shè)計(jì)采用TPS851光敏傳感器，TPS851是一個(gè)超小型表面貼裝集成電路，在一個(gè)芯片中照度傳感器由一個(gè)光電二極管和電流

35、放大器電路集成。靈敏度優(yōu)于一個(gè)光電傳感器。它光譜靈敏度接近發(fā)光效率和出色的輸出線性。其具有超小型表面貼裝封裝，耗電量低。TPS851的特點(diǎn)如下：超緊湊和輕表面貼裝封裝：2.0 2.1 0.7毫米；優(yōu)異的輸出線性照度 ；鑒于小波動(dòng)和高度的敏感性； 內(nèi)置發(fā)光效率校正功能，降低敏感度變化由于各種光源； 低供電電壓，使設(shè)備適用于電池供電設(shè)備，虛擬通道連接2.7 V至5.5 V。2.5 滴管的設(shè)計(jì)目前在我國(guó)，滴灌主要應(yīng)用于大田棉花、溫室大棚、果園及綠化帶等。滴灌的優(yōu)點(diǎn)是:避免深層滲漏和地面流失，減少棵間蒸發(fā)，節(jié)約用水。不致使根系附近水分過(guò)濕過(guò)干，土壤通氣良好，還可結(jié)合施肥，有利作物生長(zhǎng)?？梢匀孔詣?dòng)化，

36、節(jié)省勞力，遇坡地也無(wú)需開(kāi)渠，抑制雜草滋生等13?？沙浞掷盟啃〉娜驕\井。其缺點(diǎn)是:投資較高，滴頭容易堵塞。滴灌系統(tǒng)主要由以下組成:(l)首部:首部包括水泵、過(guò)濾器和化肥罐。其作用是從水源抽水加壓(-3Pa):施入化肥溶液(化肥罐容積501001)，過(guò)濾雜質(zhì);最后，將水、肥輸進(jìn)干管。(2)管道系統(tǒng):管道系統(tǒng)包括干管、支管和毛管。干、支管內(nèi)徑一般為3.75100mm，毛管內(nèi)徑為10mm左右，均由高壓聚乙烯或聚氯乙烯制成。為預(yù)防生物堵塞，往往在塑料中添加炭黑，各級(jí)管道之間均用二通、三通、四通、旁通連接。(3)滴頭:滴頭的作用在于使水流經(jīng)過(guò)微小的孔隙消能，然后成水滴狀灌入土壤。本設(shè)計(jì)中滴管是采用本

37、設(shè)計(jì)中滴管是采用聚氯乙烯材料的管道，干管內(nèi)徑62.5mm，支管內(nèi)徑為12.6mm。系統(tǒng)毛管間距為.025m，滴灌孔距為0.lm，滴頭流速為.2sh/l。圖 13 控制滴管的電路圖滴管的控制電路圖圖13所示。當(dāng)CC2430的P1.0引腳輸出高電平時(shí)，使三極管V1導(dǎo)通，繼電器K(JZX-DC12V)吸合，其長(zhǎng)開(kāi)觸點(diǎn)S1接通，使電磁閥Y(Q23XD-AC220V)得電吸合。滴管的閥門(mén)打開(kāi)開(kāi)，開(kāi)始給農(nóng)作物灌溉。3軟件實(shí)現(xiàn)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IAR Embedded Work-bench7.20，采用的協(xié)議棧為T(mén)I的Z-S

38、TACK5。系統(tǒng)將協(xié)調(diào)器通過(guò)串口RS232和上位機(jī)（PC）相連，通過(guò)人機(jī)交互的方式可以對(duì)局部監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)，也可對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域做數(shù)據(jù)融合后，對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域有宏觀把握。由于對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域要有宏觀的把握。為實(shí)現(xiàn)這一功能，必須知道每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，這就需要每個(gè)傳感器設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)后把網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到傳感器網(wǎng)絡(luò)地址后建立地址表存儲(chǔ)起來(lái)，以便用戶要求采集數(shù)據(jù)時(shí)依據(jù)地址表來(lái)采集每個(gè)傳感器的據(jù)。系統(tǒng)的軟件由C 語(yǔ)言編寫(xiě), 主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳遞的程序。其包括初始化程序、網(wǎng)絡(luò)的建立、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送等。IAR生成的目標(biāo)代碼分為調(diào)試版本(Debug)和發(fā)行版本(Rel

39、ease)兩種,其中Debug目標(biāo)代碼的地址定義在SRAM中,將被下載到SRAM中執(zhí)行; Release目標(biāo)代碼的地址定義在Flash中,最終大部分在Flash中執(zhí)行。程序編譯以后沒(méi)有錯(cuò)誤和警告就可以下載到CC2430芯片中。3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)當(dāng)協(xié)調(diào)器收到信息時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)的第1個(gè)標(biāo)識(shí)字符來(lái)判斷是傳感器的網(wǎng)絡(luò)地址還是傳感器采集的數(shù)據(jù)。若是傳感器的網(wǎng)絡(luò)地址，則把該網(wǎng)絡(luò)地址存儲(chǔ)在地址表里，然后把網(wǎng)絡(luò)地址通過(guò)串口發(fā)給上位機(jī)，由上位機(jī)做進(jìn)一步處理；若是傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，則需通過(guò)標(biāo)識(shí)符進(jìn)一步判斷；如果用戶是局部監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求，則把該數(shù)據(jù)顯示給用戶，否則就是用戶采集整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的融合后的數(shù)

40、據(jù)。這時(shí)，需要把該數(shù)據(jù)存到臨時(shí)數(shù)組里，依據(jù)地址表采集下一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信息，待把整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器數(shù)據(jù)采集完畢后，根據(jù)臨時(shí)數(shù)組里的數(shù)據(jù)做融合，并把最終結(jié)果顯示給用戶。當(dāng)用戶通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送局部監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，該區(qū)域傳感器的網(wǎng)絡(luò)地址會(huì)通過(guò)串口發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器會(huì)根據(jù)該網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；當(dāng)用戶發(fā)送整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域加權(quán)平均的數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，協(xié)調(diào)器會(huì)根據(jù)地址表中的網(wǎng)絡(luò)地址，依次采集傳感器的數(shù)據(jù)后做數(shù)據(jù)融合。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的流程如圖14所示。圖14 協(xié)調(diào)器程序流程圖本設(shè)計(jì)采用的是星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，它包括一個(gè)數(shù)據(jù)中心(Access Point)，數(shù)據(jù)中心主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理。數(shù)據(jù)中心為終端節(jié)點(diǎn)(End

41、 Devices)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)等，并管理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備成員權(quán)限、連接權(quán)限以及安全等。數(shù)據(jù)中心還可以支持終端設(shè)備的功能擴(kuò)展，如在網(wǎng)絡(luò)中它可以自動(dòng)實(shí)例化終端設(shè)備的傳感器。 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址由兩個(gè)部分構(gòu)成：一個(gè)物理地址（由程序設(shè)置）和一個(gè)應(yīng)用層地址即PORT。物理地址是在程序編譯的時(shí)候就已經(jīng)設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)設(shè)備必需要分配網(wǎng)絡(luò)中唯一的硬件物理地址。物理地址的長(zhǎng)度限制在四個(gè)無(wú)符號(hào)字節(jié)以內(nèi)。而且 CC2430 第一個(gè)地址字節(jié)不能是 0x00 或者 0xff。在這兩個(gè)射頻芯片工作時(shí)幀格式已經(jīng)定了第一個(gè)字節(jié) 0X00 和 0xff會(huì)被認(rèn)為是廣播幀。 應(yīng)用程序接口地址（PORT）是在設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)連接的過(guò)程

42、序中分配，是不受用戶干涉的。 下面介紹協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)用到的關(guān)鍵程序函數(shù)。nwk_join.c：程序塊。 sLinkToken = 0xDEADBEEF：連接標(biāo)志。 static void smpl_send_join_reply(mrfiPacket_t *frame)：加入應(yīng)答。 void saveAddress(mrfiPacket_t *frame)：AP 存放加入進(jìn)來(lái)的終端設(shè)備地址。 uint8_t isJoined(mrfiPacket_t *frame)：判斷設(shè)備是不是重復(fù)加入網(wǎng)絡(luò)。 smplStatus_t nwk_join(void)：網(wǎng)絡(luò)加入函數(shù)。 nwk_globals.

43、c：程序塊。 void nwk_globalsInit(void) ：初始化該設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中的四字節(jié)地址，將存放于 ROM 中的地址調(diào)入 RAM 中方便以后調(diào)用。 addrt const *nwk_getMyAddress(void)：取出本機(jī)地址 返回指向地址的指針。 void nwk_setMyAddress(addr_t *addr)：用戶程序手動(dòng)設(shè)置該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的地址。 void nwk_setAPAddress(addr_t *addr)：設(shè)置加入到的網(wǎng)絡(luò)的地加入過(guò)程中讀回的AP的地址。 addr_t const *nwk_getAPAddress(void)：取回設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的地址，即設(shè)

44、備所在 AP 的地址。 MRFI_SetRxAddrFilter(uint8_t *)nwk_getMyAddress()：設(shè)置接收匹配地址。 MRFI_EnableRxAddrFilter()：打開(kāi)接收地址匹配。 3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)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

45、道。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的流程如圖15所示。圖15 傳感器程序流程圖3.2.1數(shù)據(jù)傳輸ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模式分為3種數(shù)據(jù)傳輸類型:第1種是從設(shè)備向主協(xié)調(diào)器送數(shù)據(jù);第2種是主協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備接收數(shù)據(jù);第3種是在兩個(gè)從設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于星型拓?fù)浣Y(jié)果的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，由于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只允許在主協(xié)調(diào)器和從設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，因此，只有兩種數(shù)據(jù)傳輸類型。下面分別介紹數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序中用的主要函數(shù)：應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用aplSendMSG()函數(shù)發(fā)送消息包。此函數(shù)的定義如下:aplSendMSG()BYTE dstMode,/目標(biāo)地址的地址模式LADDR_UNION * dstADDR, /目的地址的

46、指針BYTE dstEP, /目標(biāo)端點(diǎn)(直接消息方式不用)BYTE cluster, /簇號(hào)(僅用于直接消息)BYTE scrEP, /消息源端點(diǎn)BYTE* pload, /用戶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針BYTE plen, /緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)BYTE tsn, /消息的事務(wù)隊(duì)列數(shù)BYTE reqack /如果非0則要求確認(rèn))消息從源節(jié)點(diǎn)的源端點(diǎn)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)端點(diǎn)。消息分直接消息(指定了目標(biāo)地址)和非直接消息(僅定義了源節(jié)點(diǎn)、源端點(diǎn)和簇,沒(méi)有指定目標(biāo)地址)。端點(diǎn)號(hào)從1到255由應(yīng)用程序設(shè)置(端點(diǎn)0由棧保留使用)。消息發(fā)送以,協(xié)議棧會(huì)向父節(jié)點(diǎn)路由此消息。如果收到APS的ack確認(rèn),協(xié)議棧就會(huì)將消息發(fā)送給目

47、標(biāo)端點(diǎn)。協(xié)議棧使用以下APL訪問(wèn)函數(shù)接收數(shù)據(jù)包。aplGetRxDstEp()返回目的端點(diǎn)aplGetRxCluster()返回簇號(hào)aplGetRxSrcEp()返回源端點(diǎn)aplGetRxSADDR()返回源端點(diǎn)的短地址aplGetRxMsgLen()返回消息長(zhǎng)度aplGetRxMsgData()返回消息數(shù)據(jù)的指針aplGetRxRSSI()返回收到消息的信號(hào)強(qiáng)度而后用戶回調(diào)函數(shù)usrRxPacketCallback()將被調(diào)用。這個(gè)函數(shù)將使用用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存數(shù)據(jù),設(shè)置已收到數(shù)據(jù)的標(biāo)志位。此函數(shù)結(jié)束后消息數(shù)據(jù)的指針將會(huì)被釋放,所以在函數(shù)結(jié)束之前要將數(shù)據(jù)保存以防止下一個(gè)包將數(shù)據(jù)覆蓋掉。3.2.3

48、 數(shù)據(jù)采集 以濕度的采集為例進(jìn)行介紹。從節(jié)點(diǎn)使用片內(nèi)濕度傳感器檢測(cè)土壤濕度 首先要定義宏函數(shù)，配置 ADC：參考電壓位內(nèi)部 1.25V 基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換精度為 12 位，轉(zhuǎn)換通道位內(nèi)部濕度傳感器。#define SAMPLE_TEMP_SENSOR(v) do ADCCON2=0X3E; ADCCON1=0X73; while(!ADCCON1 & 0X80); v=ADCL; v|=(unsigned int)ADCH)=4; /取 12 位精度 outputvoltage=adcValue * 0.61065; /換算成電壓值 return(outputvoltage -779.75)/2.43

49、 /轉(zhuǎn)換成實(shí)際濕度數(shù)值 3.3 ZigBee自組網(wǎng)ZigBee技術(shù)所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事？舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)一隊(duì)傘兵空降后，每人持有一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過(guò)彼此自動(dòng)尋找，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而且，由于人員的移動(dòng)，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會(huì)發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過(guò)重新尋找通信對(duì)象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。這就是自組織網(wǎng)。ZigBee技術(shù)為什么要使用自組織網(wǎng)來(lái)通信？網(wǎng)狀網(wǎng)通信實(shí)際上就是多通道通信，在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于各種原因，往往并不能保證每一個(gè)無(wú)線通道都能夠始終暢通，就像城市

50、的街道一樣，可能因?yàn)檐嚨?，道路維修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時(shí)中斷，此時(shí)由于我們有多個(gè)通道，車輛（相當(dāng)于我們的控制數(shù)據(jù)）仍然可以通過(guò)其他道路到達(dá)目的地。而這一點(diǎn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制而言則非常重要。ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力 ,可以形成星形、簇狀和 MESH網(wǎng)狀型。根據(jù)需要,選用適用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、近距離通信場(chǎng)合的星形網(wǎng)絡(luò)。即使用一個(gè)全功能設(shè)備 ( FFD )擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器即主控節(jié)點(diǎn) ,其余設(shè)備設(shè)置為精簡(jiǎn)功能設(shè)備 (RFD )充當(dāng)從機(jī)節(jié)點(diǎn)。主從之間的通信協(xié)議及組網(wǎng)方式如下 : 主控節(jié)點(diǎn)的 MCU首先進(jìn)行信道掃描 ,采用一個(gè)其他網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有使用的空閑信道 ,同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)從機(jī)的注冊(cè)信息列表。列表內(nèi)容包括

51、從機(jī)的 ID號(hào)、連接狀態(tài)、注銷與否等信息。主控節(jié)點(diǎn)上電后 ,先對(duì)注冊(cè)信息列表進(jìn)行檢查 ,若發(fā)現(xiàn)有未使用的 ID號(hào) ,則發(fā)送搜索命令 ,如果接收到從機(jī)回應(yīng) ,則為其分配這個(gè) ID號(hào) ,然后切換到工作信道 ,等待從機(jī)的應(yīng)答包 ,若 ID號(hào)匹配 ,則表示分配成功 ,主機(jī)將更新該 ID的注冊(cè)信息列表。然后主機(jī)分別對(duì)注冊(cè)信息列表中的每個(gè)有效 ID發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求 ,以獲取溫度信息。若某 ID在最大通信時(shí)間內(nèi)未響應(yīng) ,主機(jī)將修改該 ID的注冊(cè)信息列表 ,直到認(rèn)為已與該從機(jī)失去聯(lián)系 ,則將該 ID號(hào)注銷。從機(jī)節(jié)點(diǎn)上電后首先監(jiān)聽(tīng)默認(rèn)信道 ,如果收到主機(jī)發(fā)送的搜索命令 ,則回應(yīng)主機(jī) ,并附上自己的隨機(jī)碼。在收到主機(jī)

52、的注冊(cè)命令后 ,先對(duì)比隨機(jī)碼 ,進(jìn)行匹配時(shí)則切換到工作信道 ,并使用注冊(cè)命令中分配的 ID號(hào)發(fā)送應(yīng)答包 ,以完成注冊(cè)。隨后使用傳感器探頭采集土壤的數(shù)據(jù),等待主機(jī)索取土壤數(shù)據(jù)的命令 ,發(fā)送完數(shù)據(jù)后進(jìn)入休眠 ,一定時(shí)間后醒來(lái)再次采集數(shù)據(jù) ,如此循環(huán)。圖16 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示如圖16所示為組網(wǎng)成功的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示。節(jié)點(diǎn)之間的連線表示兩節(jié)點(diǎn)之間的父子關(guān)系，連線的顏色是隨中間表示信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)字的變化而變化。4滴灌算法的研究4.1滴灌試驗(yàn)設(shè)計(jì)氣溫、光照、降雨以及不同季節(jié)的氣候狀況與農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有密切的關(guān)系,植物生長(zhǎng)的環(huán)境主要參數(shù)溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育起到重要作用。單一的傳感器不能保證采集土壤

53、水分?jǐn)?shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性。故在本設(shè)計(jì)中采用多個(gè)傳感器濕度傳感器、溫度傳感器、光敏傳感器同時(shí)工作來(lái)保證采集信號(hào)的全面性。不同的作物，在不同的生長(zhǎng)期對(duì)濕度、光照、溫度的需求量都不同，在此選擇玉米作為實(shí)驗(yàn)的作物。這是因?yàn)橛衩资浅Ｒ?jiàn)的農(nóng)作物，生長(zhǎng)周期短，現(xiàn)在是初夏也是種植玉米的時(shí)節(jié)，且土壤濕度條件對(duì)其產(chǎn)量影響很大。在試驗(yàn)田里,實(shí)行滴灌澆水的目標(biāo)是尋求玉米產(chǎn)量最大化。因此通過(guò)對(duì)玉米生長(zhǎng)土壤水分的控制并分階段進(jìn)行調(diào)控 ,以玉米棒重量最大作為目標(biāo)進(jìn)行決策。實(shí)驗(yàn)地址：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院金工實(shí)習(xí)院內(nèi) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在一塊長(zhǎng)寬=15m9m的試驗(yàn)田里把種植的玉米分為三個(gè)區(qū)，每區(qū)為15m3m大小，成為A、B、C區(qū)。A區(qū)不

54、灌溉，玉米地的濕度就是根據(jù)南京今年的降雨量而決定；B區(qū)用肉眼觀察判斷土壤是否干旱，用傳統(tǒng)的方式灌溉并用水表記錄用水量；C區(qū)用基于ZigBee的自動(dòng)滴灌控制系統(tǒng)灌溉，同樣記錄用水量。最后以玉米棒重量和用水量來(lái)評(píng)估。4.2滴灌灌溉制度的確定土壤含水量的兩個(gè)概念：(1)體積百分?jǐn)?shù)(水v%)通常所測(cè)量的土壤含水量是指土壤的容積含水量，因?yàn)檫@樣可以忽略土樣的容重。土壤的容積含水量是容積土壤中水分容積與土壤容積的比例，容積含水量定義為:水v%=（Vw/Vs) 100%其中，Vw為土樣中水的體積；Vs為土樣的總體積。該定義對(duì)絕大多數(shù)土壤是一種合理的近似，但不適用于收縮膨脹土壤。土壤容積含水量是一個(gè)非量綱的參數(shù)，表示為百分?jǐn)?shù)(%vol)或比值(m3m-3)。0 m3m-3對(duì)應(yīng)完全干燥的土壤，純水的讀數(shù)為1 m3m-3。(2)相對(duì)含水量相對(duì)含水量是指土壤自然含水量占某種水分常數(shù)的百分?jǐn)?shù)。一般是以田間持水量為基數(shù)，土壤自然含水量占田間持水量的百分?jǐn)?shù)為相對(duì)含水量。灌水定額:是指作為滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單位面積上的一次灌水量或灌水深。本文采用含水率差值法來(lái)計(jì)算灌水定額: （式4-1）式中m滴灌水定額(mm)；允許消耗的水量占土壤田間持水量的比例(%)，對(duì)于需水敏感的作物，=20%30%，對(duì)于耐旱作物或控水生育階段，