基于ZigBee和GPRS智能监测的节水灌溉装置设计_李凌雁
浅析ZigBee和GPRS技术在水文监测系统中的应用
Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ网络 系统主要 通 过 互联 网将 信 息 进行 远距 离 的传 输 ， 而Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 无 线传 感 网络 则 主要 负 责 短距 离 内的信 息传输 ， 这样 能 实现两 种 网络 系统 的优势互 补 ， 有 利于 扩大水 文监 测 系 统 的服 务 面 ， 基 本 可 以保 障整 个 河流 流域或 水利 工程 库 区实现较 大 的水文 监测 系统 覆盖面， 实现 水文数 据 的远 距 离传 输 ， 方便 快 捷 ， 操 作 简便 。Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ无 线 传 感 网 络 采 用 的通 信 频 段 是 免 费 的， 降低 了单个 节 点 的成 本 。从 而保 证 了整个 水 文 监 测 系统 的 经 济 实 用 性 。 Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ网络 传 输 能 量 消 耗 不 大， 传感 的节 点在非 数 据 传 输 时 间 内一 直 保 持非 工作 状态 ， 只有在 进行数 据信 息传 输 时才开始 工作 耗 能 ， 其
目前 ， 多数重 点 河流 流 域 水 文监 测 系 统 的建 设 中 都 引进 了信 息 网络技术 ， 使 防汛 、 水 利工 程运 行调度 等
重要 的工作 逐步 实现 现代化 。现代 科学 技术 的 日益发
距 离 的数据信 息 传输 。三 是检 测 中心 ， 检 测 中心 有 中 央服务 器 ， 检 测 中 心接 收到 Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ网 络传 输 来 的水 文
１ 水 文监 测 系统 的组 成 和 特 点
１ ． １ 检 测 系统 的 组成 监测 系 统 由 ３个 主 要 的部 分 构 成 。一 是 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 无线 传感 器 网络 ， 分 散 在监 测 区域 内 的 流 量 计 、 水 位 计、 雨量 计 、 水压计和水质测量设备等是 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 无 线
基于ZigBee的智能节水灌溉系统
线 传感器 节点 （ 即终端 节点 ） 上传 的数 据进 行 简单
的融合后 传 送 给 上 层 的一 级簇 首 ， 将 上层 簇 首 或
发来 的控 制 中心命 令发 送 给节 点 ， 级 簇 首 接 收 一
本地 二级簇 首传来 的数据 进 行 简单 处理 并 上传 主 控 节点 ， 将 上 层 主控 节 点 收 到 的监 控 中心 命 令 或
针对 目前 的现 状 ， 究 开发 基 于 Ｚｇ ｅ 研 ｉＢ ｅ的智
实时采 集 田间 土壤 水 分 、 湿 度 等数 据 ， 计 完 温／ 设 成 智能节 水 灌 溉 系 统 ， 测 土 壤 的 墒情 和农 作 物 监
的生长 ， 实现节 水灌溉 管理 的智能化 ．
１ 系统 结构
智 能节 水灌溉 系统 以 Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ无线 传感 器技 术 为核 心 ， 综合 利用 无线 网络技 术 、 水灌 溉 技术 和 节 自动 化 控 制 技术 进 行 农 田信息 （ 壤水 分 、 湿 土 温／ 度 、 量、 雨 蒸发 量等 ） 的精 准 采集 ， 过无 线 网络 平 通 台， 远程 实时监 测作 物 的需 水 和生 长 状况 ， 能 决 智 策并 实 现节 水 灌 溉 系 统 电磁 阀 的 自动控 制 ， 传 使
设备 可 以连接多 达 ２ ４个 同类 的设备 ． ｉＢ ｅ强调 ５ Ｚｇ ｅ
转 变． 系统结 构如 图 １所示 ． 其 Ｚｇ ｅ 无 线 传 感 网包 括 协 调 器 节 点 、 由节 ｉ ｅ Ｂ 路
点 和终 端 节点 ． 端 节点 （ 终 采集 农 田信息 ） 过多 通
跳方 式与 路 由节 点通 信 ， 由节 点 再 将 信 息 转 发 路 至协 调 器 节 点 ， 后 通 过 远 程 数 据 传 输 模 块 和 然 ＧＲ Ｐ Ｓ网络 以短 信 方 式 发 送 到 手 机 终 端 ， 者 由 或 ＧＲ Ｐ Ｓ网络通过 无线基 站 和 Ｉｔｒｅ 将数 据传 送 至 ｎｅｎ ｔ 监控 主机 ， 由监控 主机 负责 数 据 的存 储 和分 析． 监 控 中心将 无线 传感 网络 采 集 的实 时数 据存 储 到 数
基于ZigBee与GPRS的无线水文监测系统设计
第27卷第3期2009年5月排 灌 机 械D r a i n a g ea n dI r r i g a t i o n M a c h i n e r yV o l .27N o .3M a y 2009基于Z i g B e e 与G P R S 的无线水文监测系统设计李正明,侯佳佳,潘天红,廖 康(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013)摘 要:针对水文监测系统的要求以及水文监控网络化的需求,分析了国内水文监测系统的发展状况,提出将无线传感器网络应用于水文水利监测系统中.介绍了基于Z i g B e e 与G P R S 无线传感器网络的水文监测系统的结构组成和适用于水文监测的Z i g B e e 无线传感器网络拓扑结构.在硬件设计中,分别采用单片机和A R M 微处理器与C C 2500配合设计网络节点;在软件设计中,移植T i n y O S 操作系统和Z i g B e e 协议栈,搭建软件开发平台.系统测试结果表明:Z i g B e e 网络通信距离满足大部分水文监测需求,具有较高的可靠性及可扩展性,能方便的实现水文监测的网络化,其与G P R S 技术优势相结合,是实现无线水文监测的一个非常理想的解决方案.关键词:水文监测;无线传感器网络;Z i g B e e ;C C 2500;操作系统 中图分类号:T P 29 文献标志码:A 文章编号:1005-6254(2009)03-0184-06D e s i g no f w i r e l e s s h y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n g s y s t e m b a s e do nZ i g B e eL i Z h e n g m i n g ,H o u J i a j i a ,P a n T i a n h o n g ,L i a o K a n g(S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ,J i a n g s uU n i v e r s i t y ,Z h e n j i a n g ,J i a n g s u 212013,C h i n a )A b s t r a c t :A i m e d a t t h e m o n i t o r i n g r e q u i r e m e n t s o f w i r e l e s s h y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n g s y s t e ma s w e l l a s t h eh y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n g n e t w o r k n e e d s ,t h e d e v e l o p m e n t s t a t u s o f h y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n g s y s t e mw a s a n a -l y z e d ,a n d a p p l i c a t i o n o f W i r e l e s s S e n s o r N e t w o r k s (W S N )t o t h i s s y s t e m i s p r o p o s e d .T h e s t r u c t u r e o f h y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n Z i g B e e a n d G P R S W S N ,a n d t o p o l o g y o f t h e Z i g B e e W S Nf o r h y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n g w e r e p r e s e n t e d .T h e m e t h o d i n t e g r a t i n g s i n g l e c h i p a n d A R M m i c r o p r o c e s s o r w i t h C C 2500w a s a p p l i e di n h a r d w a r e d e s i g no f n e t w o r kn o d e s ,f o r m i n g t h e s o f t w a r e d e v e -l o p m e n t p l a t f o r m w i t h t r a n s p l a n t i n g t h e e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e mo f T i n y O S .T h e p r o t o c o l s t a c k o f Z i g B e e w a s a p p l i e d i n s o f t w a r e d e s i g n o f s y s t e m .A c c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s ,Z i g B e e n e t w o r k s a t i s f i e s t h e c o m m u n i c a t i o n d i s -t a n c e d e m a n d o f h y d r o l o g i c a l m o n i t o r ,h a s h i g h r e l i a b i l i t y a n d e x p a n d a b i l i t y ,f a c i l i t a t e s t h e r e a l i z a t i o n o f h y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n g n e t w o r k ,a n d p r o v i d e s a s o l u t i o nt o r e a l i z e t h e w i r e l e s s h y d r o l o -g i c a l m o n i t o r b y c o m b i n i n g t h e s u p e r i o r i t y o f G P R S t e c h n o l o g y .K e y w o r d s :h y d r o l o g i c a l m o n i t o r ;w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ;Z i g B e e ;C C 2500;o p e r a t i n g s y s t e m 收稿日期:2009-03-09基金项目:国家863计划项目(2008A A 10Z 208)作者简介:李正明(1957—),男,江苏沭阳人,教授,博导(l z m i n g @u j s .e d u .c n ),主要从事工业控制计算网络与计算机信息处理技术研究.侯佳佳(1984—),女,江苏盐城人,硕士生(h o u j i a j i a 1015@g m a i l .c o m ),主要从事无线传感器网络研究. 水文监测技术是水文水利信息化的重要基础,它是水文传感器技术与采集、存储、传输、处理技术的集成[1].近40年来,我国水文自动监测系统的建设和应用技术有了巨大进步,所建系统采集的数据,为防汛和水利调度的决策提供了依据和参考,但整体水平与西方发达国家相比较还存在着很大的差距,其中信息采集、传输手段和技术比较落后,信息时效性差,不能满足对水文数据实时、快速、准确监测的要求.无线传感器网络[2](W S N )是通信技术、计算机技术、传感器技术和网络技术相结合的产物,其最大的优势在于通过一组低成本、低功耗的简单传感器协同工作,以更直接、更精确的方式近距离地对环境信息进行全面监测,实时准确地获取监测区域的详细信息.目前,无线传感器网络在工业、农业、水文水利监测等领域中已经成为研究的热点方向[3,4].然而其研究尚处于萌芽阶段,技术与应用都还不成熟,能量供应机制还不够完善,缺乏统一的通信标准,对其构成的系统出现的B u g 不能及时修正.为满足水文监测系统的监测要求以及水文监控网络化的需求,本研究提出将结合Z i g B e e [5]技术及G P R S 技术优势的无线传感器网络应用于水文水利监测系统中,构建无线水文水利监测系统的设计方案.1 系统中的关键技术1.1 Z i g B e e 技术Z i g B e e 是一种新兴的短距离、低速率的无线组网通信技术,可以实现使用廉价的电池就能够连续工作多年的无线网络.Z i g B e e 的协议架构是建立在I E E E 802.15.4标准基础之上的.该标准定义的无线个人区域网络的特征与无线传感器网络有很多相似之处,很多研究机构把它作为无线传感器网络的通信标准.表1详细列出Z i g B e e 的主要特点[6].表1 Z i g B e e 的主要特点T a b .1 Ma j o r c h a r a c t e r o f Z i g B e e主要特点 说 明低速率250k b p s (2.4G H z ),40k b p s (915M H z ),20k b p s (868M H z ).短时延搜索设备:30m s ;休眠激活:15m s ;信道接入:15m s .低功耗有工作和休眠两个模式,一般电池工作时间可以长达6～24个月.低成本Z i g B e e 协议免专利费,模块初期成本几十元左右,广泛应用后可降到10～20元.高容量网络一个网络最多可包括255个Z i g B e e 节点,其中一个主控设备,其余是从属设备;若是通过网络协调器,网络最多可支持超过64000个Z i g B e e 节点.灵活组网通过网络协调器自动建立网络,采用载波监听多路访问/冲突避免C S M A-C A 机制接入信道.高安全系数三级安全保护,可按照应用灵活选择安全属性第三级安全处理提供数据完整性检查及鉴权功能,采用属于高级加密标准(A E S -128)的对称密码.1.2 G P R S 技术G P R S 是在现有G S M 系统基础上开发的一种采用分组交换技术的数据传输技术,允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务.它无需通讯线路投资,具有实时在线、按量计费、快捷登陆、高速传输等优点,特别适用间断的、突发性的、频繁的和少量的数据传输.G P R S 技术的发展,其应用也扩展到了工业、控制等领域,并且会在将来取得更加广泛的应用.随着科技进步,将嵌入式系统和G P R S 技术应用于水利事业的监控检测是非常有意义的工作[7].2 无线水文监测系统的架构2.1 系统体系结构本监测系统一共设计为3个网络:Z i g B e e 无线传感器网络、G P R S 传输网络和I n t e r n e t 网络,如图1所示.监测区域中的Z i g B e e 网将信息发送到网络协调器,网络协调器中的处理器将处理后的数据通过G P R S 模块发送到G P R S 网络,水文监测分中心的服务器对接收的数据进行后台处理.监测分中心可以登陆到服务器,查看数据并在I n t e r n e t 网上发布信息,水利局监测调度中心也可在互联网上实时地查询各监测中心的水情,进行汛情分析,及时发布相关信息.整个系统中Z i g B e e 网络主要负责水文数据的采集,G P R S 网络主要负责数据的远距离传输,I n t e r -n e t 网络负责数据的远程共享.图1 无线水文监测系统体系结构F i g .1 Wi r e l e s s h y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n g s y s t e m a r c h i t e c t u r e2.2 Z i g B e e 网络节点与拓扑结构一般的Z i g B e e 网络由3种节点组成:协调器、185第3期 李正明等:基于Z i g B e e 与G P R S 的无线水文监测系统设计路由器和终端设备.协调器是网络的中心节点,负责网络的组织和维护.路由器负责网络内数据帧的路由,而终端设备则是实现具体功能的单元.根据功能来划分,Z i g B e e 网络节点又分为全功能设备(F F D )和简化功能设备(R F D ).R F D 不需要传输大量的数据,往往同一时间只和一个F F D 关联,所以R F D 可以用最少的资源和存储容量来实现.因此,本系统中的Z i g B e e 网络中设计了三种对应的节点:网络协调器、路由节点和计量节点.网络协调器和路由节点设计为F F D 设备,计量节点设计为R F D 设备,计量节点只能与路由器或者网络协调器通信,相互之间不能进行通信.Z i g B e e 网络有三种拓扑结构,分别为星型网、树型网和网状网.从网络的可靠性与规模性角度考虑,本研究选取了网状网作为本系统的Z i g B e e 网络拓扑结构.网状网是一个多跳(即一次中继)系统.网状网络的优势在于通讯的可靠性大大增加,因为两个节点之间可以存在多条通讯链路,并且这些链路是动态建立并维护的,通讯不会由于某些路由节点的失效而中断.在网络创建过程中,当一个节点允许一个新节点加入网络时,这两个节点就构成了父子关系,已经加入网络的节点称为父节点,被添加进网络的节点将作为子节点.如图2所示,首先根据水文监测要求,在河流、水库的指定地点人工安置好用于采集的计量节点,以野外无人值守方式工作,并随机撒放路由节点;然后启动网络协调器,它将搜索一个空的信道,选定一个P A N I D ,将自身的网络地址设为0;接着启动路由器,它将选择协调器作为父节点加入网络,并得到一个网络地址,Z i g B e e 有一套地址分配机制保证地址不会重复,因此会出现节点加入网络失败的情况,这些节点就作为冗余节点进入休眠模式;最后启动计量节点,它将选择信号最强的协调器或路由器作为父节点加入网络,并得到一个网络地址.图2 Z i g B e e 网络拓扑模型F i g .2 Z i g B e e n e t w o r k t o p o l o g y e x a m p l e网络一旦建立,拓扑关系和网络地址就会保存在各自节点的F L A S H 中,每个路由节点会发出信号监控并记录周围节点的工作情况.网络建立后,各计量节点就可以根据路由算法选择合适的路径进行数据通讯了.如终端节点A 可以通过A ※B ※C 协调器的路径传送数据,如果路由节点C 出现故障或者死亡,节点A 还可以通过A ※B ※D 协调器的路径进行数据传输.2.3 系统功能分析为满足水文监测要求,本系统可实现如下功能:l )计量节点能定时向监测分中心发送水文数据;2)计量节点能响应监测分中心的要求,实时采集水文数据;3)当计量节点检测到数据超过阈值或者自身能量较低时,发送报警消息;4)能按照时间自动存贮水文数据,同时可以查询某一时间的水文数据;5)监测分中心可登陆到服务器查看监测区域水情;6)水利局水情调度中心可在互联网上实时地查询到监测分中心的水情,进行数据分析和汛情分析,及时地发布相关信息.3 系统硬件设计3.1 计量和路由节点计量节点硬件主要有4个模块组成:处理器模块、传感器模块、无线射频模块和电池模块[8],路由节点不具备采集功能,所以与计量节点相比缺少传感器模块,如图3所示.图3 计量节点和路由节点结构框图F i g .3 S t r u c t u r a l d i a g r a mo f n o d e s f o r m e a s u r e a n dr o u t e r作为Z i g B e e 网络中的节点,低功耗设计是尤为重要的.经过详细的器件功耗比较之后,系统中选取了M S P 430F 2012混合信号控制器作为处理器模块186 排 灌 机 械 第27卷的核心.M S P 430系列单片机的结构完全以系统低功耗运行为核心,电源采用1.8～3.6V 低电压,1M H z 时钟条件下运行,耗电电流在0.1～400μA 之间,活动模式耗电250μA /M I P S ,R A M 数据保持方式下耗电0.1μA ,在等待模式下仅为0.7μA .其I /O 输入端口的漏电流最大仅为50n A ,当射频模块处于低功耗状态时,可以大大降低功耗.M S P 430系列单片机支持1种活动模式(A M )和5种低功耗模式(L P M 0～L P M 4),模块运行时采用不同的工作模式,芯片的功耗会有明显的差别.另外,用中断请求把C P U 唤醒只需要6μs ,通过合理编程,既可以降低系统功耗,又可以对外部请求做出快速响应.无线射频通信模块完成节点数据的发送和接收及转发功能,这里采用C h i p c o n 公司推出的符合Z i g -B e e 要求的短距离射频收发芯片C C 2500,其体积小,功耗低,支持250k b p s 的数据速率,工作电压范围为1.9～3.6V ,免费的2.4G H z 频段,接收机灵敏度高.C C 2500具有2种低功耗工作模式:关机模式和空闲模式,在关机模式下工作电流小于200n A .另外,C C 2500硬件支持包数据处理,数据接收时有缓冲、信息同步字自动检测、地址检测、信息长度分析和C R C 校验等功能.单片机对C C 2500的所有配置都是通过S P I 接口实现的[9].M S P 430F 2012支持3线或4线S P I 操作,其接口如图4所示.单片机作为主机,收发芯片作为从机.当M S P 430的P 1.5～P 1.7工作在S P I 模式时,P 1.6/S D O 为S P I 的数据输出线,P 1.7/S D I 为S P I 的数据输入线,P 1.5/S M C L K 为S P I 同步时钟信号线.S P I 接口上所有的地址和数据转换被最先在重要的位上处理.P 2.7与C C 2500的片选信号端口C S N 相连,置低时选中芯片.G D O 0和G D O 2为C C 2500的两个专用的配置引脚,分别与P 2.6和P 1.4相连,这些引脚能用来对M C U 产生中断,输出对控制软件有用的内部状态信息.图4 M S P 430F 2012与C C 2500的S P I 接口F i g .4 S P I i n t e r f a c e b e t w e e nM S P 430F 2012a n d C C 25003.2 网络协调器作为Z i g B e e 网络的协调者,其硬件方面应在具备可用性和可靠性的基础上,除了能够实现与计量节点或者路由节点间的通信、数据的G P R S 远程传输功能,还要为P C 或者其它设备留下通用的数据输入输出和控制接口.结构框图如图5所示,由处理器模块、无线射频通信模块、G P R S 通信模块、预留接口模块等组成.图5 网络协调器结构框图F i g .5 S t r u c t u r a l d i a g r a mo f c o o r d i n a t o r网络协调器是整个监测系统的控制中心,而主控微处理器又是网络协调器的核心,它的选择将对整个监测系统的功能实现产生决定性的影响.网络协调器负责整个网络的管理和数据的收发,需要大量的内存和外存,并具有较高的数据吞吐率和处理能力.同时,还应考虑芯片的兼容性和市场来源,只有兼容性好、市场来源充足的芯片才有利于今后监测系统进一步的开发和推广应用.综合考虑了以上几个方面,本系统选用了T I 公司推出的基于A R M 7T D M I 内核的32位R I S C 嵌入式系列微处理器T M S 470R 1A 288作为主控微处理器,采用电源供电.无线射频通信模块仍然采用与路由节点和计量节点对等的射频芯片C C 2500.G P R S 通信模块主要用于无线传感器网络信息的远程传输,它是Z i g B e e 网络的远程通信接口.本设计采用了西门子公司生产的M C 39i 模块,该模块集成了基带处理单元和R F 处理模块,对外提供了40p i n 的Z I F 连接器.通过Z I F 连接器插座上的R S 232接口向M C 39i 发送A T 命令和数据,就可实现包括模块的设定、系统控制、数据输入/输出等功能.预留模块将处理器内部集成的相应接口进行了扩展,组成S P I ,I 2C ,P M W ,U S B 等多个预留接口模块,为网络协调器的功能完善提供了可能.4 系统软件设计系统软件设计主要在于软件开发平台的搭建和应用程序的设计.节点系统中采用了三层设计方法,将整个软件系统分为硬件抽象层、系统服务层和应用层.硬件抽象层实现对硬件的驱动,定义了硬件的寄存器映射,为上层屏蔽底层硬件细节,简化系统平187第3期 李正明等:基于Z i g B e e 与G P R S 的无线水文监测系统设计台移植.系统服务层建立在嵌入式操作系统上,在这个层次中除了实现操作系统的内核服务外,还将完成Z i g B e e 协议层的实现.应用层建立在以上几层结构之上,根据水文监测具体应用的需要定义不同的任务,利用系统服务层提供的接口,实现网络管理和信息传输.4.1 嵌入式操作系统本设计中选用了T i n y O S 实时操作系统.T i n y O S 是加州大学伯克利分校开发出了适合无线传感网络的微型操作系统[10],采用组件化编程语言n e s C ,引入了轻量级线程(l i g h t w e i g h t t h r e a d )、主动消息(a c -t i v e m e s s a g e )、事件驱动(e v e n t -d r i v e n )模式、组件化编程(c o m p o n e n t -b a s e d p r o g r a m m i n g )等技术,很好地利用了传感器节点的有限资源.目前这个系统被国内外大学和研究机构广泛应用.不同于其他流行的操作系统,T i n y O S 中任务没有优先级,其内核属于不可剥夺型内核,内核通过一个无限循环调用T O S H r u n n e x t t a s k (),在队列不为空时(T O S H s c h e d f u l l !=T O S H s c h e d f r e e )依次执行所有任务函数.只有中断服务可以从一个正在执行的任务中抢得C P U 使用权,但中断服务以后,使用权还是回到了原来被中断了的那个任务,直到该任务主动放弃C P U 使用权,下一个任务才能获得C P U 的使用权.T i n y O S 是事件驱动型的操作系统,C P U 只有在有事件触发时才唤醒处理,其余时间都可以处于睡眠状态,从而可以大大降低系统的能耗.T i n y O S 中用到的中断主要有以下几类:A D C ,T i m e r ,U A R T 和S P I 等.4.2 Z i g B e e 协议栈目前已有很多著名的公司和研究机构根据Z i g -B e e 规范,实现了用于无线传感器网络的Z i g B e e 软件协议栈,主要有M i c r o c h i p 公司基于P l C 单片机的P l C Z s t a c k 以及T I 公司的Z -s t a c k .Z -s t a c k 2.1.0是T I 公司2008年最新推出的针对M S P 430F 2618和C C 2520的Z i g B e e 协议栈,符合Z i g B e e 2007规范.为了加速水文水利监测系统的开发,并为系统未来的升级提供一种良好的用户接口,本设计在处理器上移植Z -S t a c k 2.1.0.需要特别强调的是Z -S t a c k 2.1.0扩充了基于M S P 430的O A D(O v e r A i r D o w n l o a d )功能,通过T I 公司提供的Z O A D 应用软件就可以对任何运行了Z -S t a c k 的Z i g B e e 设备进行软件升级.4.3 节点主程序设计根据本系统的功能要求,并结合T i n y O S 操作系统自身的特点,设计了主任务、Z i g B e e 发送任务、Z i g B e e 数据处理任务、G P R S 接收和发送任务、更新路由任务等模块.Z i g B e e 数据的接收是由C C 2500产生中断完成的,因此需要定义一个引脚中断;G P R S 模块在接收监测分中心采集命令时,通过R S 232产生中断来完成,因此需要定义一个串口中断.网络中节点完成初始化并成功组网后,开中断,此时T i n y O S 内核循环扫描一个为空的任务队列.对于计量节点,在任务队列中加入主任务进行数据采集,报警检测和自身能量检测并调用Z i g B e e 发送任务;产生C C 2500引脚中断时,C P U 转去执行Z i g B e e 接收中断服务程序,如果是采集命令,立即执行数据采集和发送,如果是路由包,立即执行路由更新.对于网络协调器,任务队列一开始为空;网络协调器中产生C C 2500引脚中断时,C P U 转去执行Z i g B e e 接收中断服务程序,在任务队列中加入Z i g B e e 数据处理任务进行数据处理分析,如果是实时数据包,则在任务队列中加入G P R S 发送任务,如果是路由包,则在任务队列中加入路由更新任务;产生串口中断时,C P U 转去执行G P R S 接收中断服务程序,顺序加入G P R S 接收任务和Z i g B e e 发送任务.主程序流程如图6所示.图6 主程序流程F i g .6 F l o wc h a r o f m a i n p r o g r a m5 结 论在无线通信中,信号的传递容易受到外界的干扰,可能产生信息丢失或信息错误等现象.目前G P R S 技术比较成熟,其网络可靠性与传输实时性等关键问题已经得到很好的解决.因此,在本系统设计过程中,仅对Z i g B e e 网络性能进行了测试,主要188 排 灌 机 械 第27卷包括通信距离测试、可靠性测试及扩展性测试.选取6个网络节点构成网络,其中有1个网络协调器、3个路由节点和2个计量节点.为了测试的准确性,计量节点上未附加传感器,而是以固定的10个字节数据代替传感器数据.网络协调器通过串口与P C相连,其他5个节点任意分布,并尽量将节点分散开,这里假定每个计量节点都有多条通往网络协调器的路径.设置2个计量节点定时5s向网络协调器发送数据.系统测试结果表明,网络节点能够在大约1s内通过自组织的方式构成网络,根据路由协议形成稳定的多跳路径;当接收灵敏度设置为-101d B m,发送功率设置为0d B m(1m W)时,无线通信传输距离最远,可达130m;计量节点连续发送1000个数据包,网络稳定运行,30m的传输距离之内丢包率为0;当网络拓扑结构发生变化后,如人为地加入或者去除一个路由节点,系统可很快重新组建网络.由此可见,Z i g B e e网络的通信距离满足大部分水文监测需求,具有较高的可靠性及可扩展性,能方便的实现水文监测的网络化,其与G P R S网络相结合来设计无线水文监测系统的方案是切实可行的.但在设计方案的某些方面还存在一些问题及需要完善部分.本设计方案选用了Z-S t a c k,能实现较为复杂的网络,其理论上支持的节点数很多,但是实际上当系统过于庞大时,系统的传输延迟会较大,从而导致系统的效率降低.因此在未来的工作中,需要进一步在Z i g B e e协议栈基础上对底层进行优化开发,解决原有的协议栈的不足之处,以便构成一个规模大、功能强的无线水文监测系统.另外,如果在通信上面有进一步改进的话,可以加装U S B摄像头实时地采集图像数据并进行传输,这将更好的完善水文监测系统.参考文献(R e f e r e n c e s)[1] 舒大兴.水文信息系统现代化研究[D].南京:河海大学水利水电工程学院,2005.[2] 李晓维.无线传感器网络技术[M].北京:北京理工大学出版社,2007.[3] Wa n g N i n g,Z h a n gN a i q i a n,Wa n gM a o h u a.Wi r e l e s ss e n s o r s i na g r i c u l t u r ea n df o o di n d u s t r y-r e c e n t d e v e l o p-m e n t a n d f u t u r e p e r s p e c t i v e[J].C o m p u t e r s a n dE l e c t r o-n i c s i nA g r i c u l t u r e,2006,50(1):1-14.[4] H e i n z e l m a nW B,C h a n d r a k a s a nA P,B a l a k r i s h n a nH.A na p p l i c a t i o n-s p e c i f i c p r o t o c o l a r c h i t e c t u r ef o r w i r e l e s sm i c r o s e n s o r n e t w o r k s[J].I E E ET r a n s a c t i o n s o n W i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n s,2002,1(4):660-670.[5] L i n S h i z h u a n g,L i u J i n g y u,F a n g Y a n j u n.Z i g B e e b a s e dw i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s a n d i t s a p p l i c a t i o n s i n i n d u s t r i a l[C]∥P r o c e e d i n go f t h eI E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c eo nA u t o m a t i o n a n dL o g i s i t i c s,2007:1979-1983.[6] 瞿 雷,刘盛德,胡咸斌.Z i g b e e技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.[7] 曹 卫,董航飞,李宗宝.G P R S技术在水利监测系统中的应用[J].排灌机械,2007,25(5):39-42.C a oW e i,D o n gH a n g f e i,L i Z o n g b a o.A p p l i c a t i o no fG P R S t e c h n o l o g yi nh y d r a u l i cm o n i t o r i n gs y s t e m[J].D r a i n a g e a n dI r r i g a t i o nM a c h i n e r y,2007,25(5):39-42.(i nC h i n e s e)[8] A k y i l d i z I F,S uW e i l i a n,S a n k a r a s u b r a m a n i a m Y,e t a l.As u r v e y o n s e n s o r n e t w o r k s[J].I E E EC o m m u n i c a t i o n sM a g a z i n e,2002,40(8):102-114.[9] 沈建华,杨艳琴.M S P430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.[10] 李丽娜,石高涛,廖明宏.传感器网络操作系统T i n y-O S关键技术分析[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2005,12(6):724-727.L i L i n a,S h i G a o t a o,L i a oM i n g h o n g.A n a l y s i s o f k e yt e c h n i q u e s f o r T i n y O S i n s e n s o r n e t w o r k[J].J o u r n a l o fH a r b i n U n i v e r s i t yo f C o m m e r c e:N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n,2005,12(6),724-727.(i n C h i n e s e)(责任编辑 赵 鸥)189第3期 李正明等:基于Z i g B e e与G P R S的无线水文监测系统设计。
基于ZigBee的智能灌溉装置设计
2018年第2期时代农机TIMES AGRICULTURAL MACHINERY第45卷第2期Vol.45No.22018年2月Feb.2018基金项目：浙江省水利厅科技计划项目（RC1522），国家大学生创新项目（201611481008）作者简介：崔佳民（1983-），男，山东沂源人，硕士，讲师，主要研究方向：电力电子及自动控制。
基于ZigBee 的智能灌溉装置设计崔佳民，郭栋(,310018)摘要：针对浙江省丘陵地区田块面积小、形状不规则、田间土壤墒情监测难度大的特点，设计了基于ZigBee 协议下的“物联网”架构的智能灌溉装置，实现对土壤墒情实时监测，并通过控制电磁水阀，实现对各类农田进行适时、适量的科学灌溉，起到高效、节水、节能的目的。
关键词：土壤墒情；ZigBee ；智能灌溉我国是一个水资源紧缺国，同时又是一个农林业大国，农林业用水所占比重较大，用水矛盾十分突出。
另一方面，不管是农业灌溉还是城市绿化用水通常凭借经验定时灌溉，是一种很粗放的方式，这种原始的灌溉方式既无法保证植物科学用水量，同时又大大浪费了宝贵的水资源。
加强对土壤墒情的准确监测，并通过控制装置实现自动灌溉，有助于做好科学的给水措施，实现水资源的合理利用及农林业的健康发展。
1无线数据采集与传输（1）无线传感器节点。
无线传感器节点具有采集数据和无线传输的功能：一方面来实现土壤温度、湿度等参数的测量采集和处理；另一方面实现数据的融合和收发。
对自身采集的数据和收到的其他节点数据进行融合，再转发到汇聚节点。
所探测范围内的土壤墒情，通过无线方式将数据传送给网关。
无线传感器节点由采集模块、数据处理模块、无线通信模块和供电模块四部分组成，如图1所示。
其中，采集模块负责采集对应节点的土壤墒情；数据处理模块转换采集的原始数据；无线通信模块主要完成与数据通信任务，供电模块负责传感器节点运行时能量供应。
图1无线传感器节点框图本系统无线传感器网络方案拟采用ZigBee 组网技术。
基于ZigBee的农业节水灌溉监控系统
基于ZigBee的农业节水灌溉监控系统【摘要】水是地球不可缺少的资源，从生活到基础生产都需要水。
可是水资源本身就非常缺乏，在农业灌溉中它又起到不可缺少的作用，怎样合理地运用水资源，是农业生产中亟需解决的问题。
本文通过对ZigBee通信技术的研究并结合实际情况，设计了一套包含灌溉模块和视频监控模块的农业灌溉监控系统。
不仅可以实时对农田环境及温湿度等数据进行监控，还可以智能合理灌溉，组合成节水、监控二合一的高效系统。
【关键词】ZigBee技术; 节水灌溉; 土壤含水量检测; 视频监控【Abstract】Water is indispensable to the earth’s resources, the life and basic production all need water. But the water itself is very lack, in it plays an indispensable role in agricultural irrigation, how to reasonable use of water resources, agricultural production is the need to solve the problem. In this article, through the study of ZigBee communication technology and combining the actual situation, design a set of module and video monitoring module contains the irrigation agriculture irrigation monitoring and control system. Not only can monitor real-time data on farmland and the environment temperature and humidity, etc, can also be smart and reasonable irrigation, water saving, monitoring in one efficient system.【Keywords】ZigBee technology; water-saving irrigation; soil moisture detection; video monitoring1 绪论1.1 课题背景1.1.1 水资源面临的危机水是世上所有生命的起源。
基于zigbee网络的节水灌溉自动控制系统研究
基于Z i gB ee网络的节水灌溉自动控制系统研究孙燕，曹成茂，马德贵(安徽农业大学工学院，合肥230036)摘要：针对农田环境的特点，介绍了一种基于zi gB∞技术的开发，并在此基础上研制了实时在线监控的自动节水灌溉系统。
通过无线移动网络(T D—s cD M A)和I N T E R N E T的连接，实现数据远程传输至数据库服务器。
远程监控中心下达命令唤醒子站，子站响应命令采集数据并传送到远程监控中心，从而指导灌溉。
从硬件和软件方面描述了系统的设计及实现方法。
实际应用表明：系统工作性能稳定．数据传输可靠，基本达到了设计要求。
关键词：数据采集；无线传感器网络；zi gB∞；节水灌溉中图分类号：TP393；s126文献标识码：A文章编号：1003—1明X12012)06-0153—040引言在推进农业信息化建设的实践中，发展高效节水灌溉农业是我国农业持续性发展的首要条件。
作为一种全新的信息获取和处理技术，无线传感器网络凭借其功耗低、成本低、可靠性高等特点，已充分被利用到农业领域。
例如，英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线传感葡萄园，通过检测土壤湿度、温度以及有害物的数量来确保葡萄健康生长，从而获得大丰收…。
中国农业科学院韩华峰等开发了基于zi g-B e e网络的温室环境远程监控系统，目前已在天津的宝坻、静海、宁河和北京等地温室安装运行，总体达到了预期的设计目标怛J。
华南农业大学的樊志平等研制了柑橘园土壤墒情远程监控系统。
该系统采用具有zi gB ee技术的xbee—PR O模块和E C H20型土壤水分传感器组成的传感器节点，部署于柑橘园的各个采集点对土壤墒情信息进行采集、预处理和无线发送等工作，通过远程监控中心系统实现远程传输和实时监控”J。
本文考虑农田应用环境的特殊性，充分利用无线传感器网络的特点，设计了适用农业生产的自动节水灌溉控制系统，并在安徽农业大学实验基地进行了试验。
该系统可实时检测土壤水分、空气温(湿)度以及冠层温度数据并且打印。
基于Zigbee和GPRS的远程精确灌溉系统设计
基于Zigbee和GPRS的远程精确灌溉系统设计摘要：随着我国经济的迅速发展，农业生产势必会采用各种先进的技术，以达到提高产量，节约资源的目的。
文章采用Zigbee和GPRS技术来设计一个精确灌溉系统，系统通过中央监控服务器可实现精确灌溉、远程管理、移动控制的功能，利用模糊控制方式对农作物进行灌溉，简单可靠，节水增产。
关键词：Zigbee；GPRS；精确灌溉无线网络传感器（Wireless Sensor Networks，WSN）融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，是多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。
ZigBee协议是无线传感网络中应用最广泛的协议，它有着低功耗、低成本、时延短、网络容量大、可靠性高、安全性强等优点。
GPRS是通用无线分组业务（General Packet Radio Service）的简称，是一种基于GSM（Global System for Mobile Communications）系统的无线分组交换技术，在GSM协议构架的基础上增加了支持分组交换的协议，而实现基于分组的无线通信服务。
相对于原有的GSM网络，GPRS的传输速率有了很大的提升且覆盖范围广、传输速率高、登录接入时间短、提供实时在线功能、可与IP网无缝连接等优点，可以满足各种小流量的远程数据传输要求，对偶尔的大流量数据传输也能胜任。
1 精确灌溉系统介绍1.1 工作原理本系统基于Zigbee和GPRS技术设计了远程精确灌溉系统，系统有三层结构。
第一层：监控现场的ZigBee网络，主要包括传感器节点、阀门控制器节点和变频器控制节点。
拓扑结构采用星型网络拓扑结构，传感器节点?集环境信息，具体包括：空气温度、空气湿度、光照和土壤湿度。
第二层：现场控制器节点，主要包括ZigBee网络的汇聚节点，作为系统的网关节点，此节点由ZigBee单片机、GPRS模块和ARM 模块共同构成。
其中，ARM模块作为主控模块，ZigBee单片机与GPRS模块通过串口与ARM进行通信。
基于Zigbee技术的农田自动灌溉系统的设计
工程科技与产业发展科技经济导刊 2016.23期基于Zigbee技术的农田自动灌溉系统的设计刘立佳（石家庄域联视控控制技术有限公司 河北 石家庄 050000）随着现代社会的快速发展，农业发展必须紧跟步伐。
种植农业最基础的就是农田灌溉问题，现在广泛应用的灌溉方式是采用人工灌溉，人眼观察土壤的含水情况，根据经验判断是否需要实时灌溉。
这种方式费时费力，使劳动效率大大降低，从而严重影响农业的发展。
为解决这一大农业问题，本设计提出一种基于Zigbee技术的农田自动灌溉系统的设计方案。
本设计硬件部分的布线工作主要将测量土壤含水率的传感器安装到合适的位置，再利用Zigbee无线传输的优点，将采集到的土壤含水率信号无线传输到信息管理中心，信息管理中心根据采集到的信号控制自动灌溉设备的工作状况。
这种设计方法节省了布线的麻烦，降低了投资成本，但可靠的实现了农田自动灌溉的目的。
1 系统硬件设计系统硬件部分的总体结构图如图1所示。
本设计的硬件部分主要包括三大模块：数据采集模块、数据传输模块、动作执行模块。
硬件系统采用模块化设计方案，便于整个系统的开发、调试、检测及后期硬件的维护。
图1 系统总体结构1.1数据采集模块数据采集模块的主要设计工作为安装传感器的位置，即选择合适的测量位置安装测量土壤含水率的传感器。
土壤湿度传感器通过信号转换电路与Zigbee终端节点连接，终端节点芯片选用TI公司推出兼容Zigbee 2007协议SoC芯片CC2530。
1.2数据传输模块系统中传感器采集到的信号经过转换电路转换后传输给Zigbee终端节点，Zigbee终端节点将数据处理后通过无线传输方式传输给信息汇总中心，即Zigbee协调器。
本设计中建立无线网络非常关键，Zigbee网络组网方式主要有星型网络和网型网络两种拓扑结构，不同的拓扑结构使用于不同的领域。
星型网络中包含一个协调器和多个终端节点，终端节点可以定时休眠。
自动灌溉系统采集土壤湿度信号不需要实时采集，可选择在规定的时间点进行信号采集，所有不采集湿度信号的期间，自然不需要数据传输，因此在这个期间内终端节点均进入休眠模式，以降低功耗，节约成本。
基于ZigBee的远程智能浇灌系统设计
第13期2018年7月No.13July，2018无线互联科技Wireless Internet Technology最近几年，由于人口的增长和城市化、工业化的发展，水资源严重缺乏，节能减排是关键的热点。
在现在的公园和果园中，需要人工对植物灌溉进行护理，需要大量的人力和物力，并且在对植物进行灌溉的时候，没有对水的利用进行有效的控制，大大浪费了水资源[1]。
本文设计一种用传感器监测土壤的湿度情况，对其进行定点定量浇灌，作为无线传感器网络技术在智能灌溉领域的探索性研究，可为以后建立大型的远程智能灌溉系统奠定基础。
1 方案设计ZigBee 是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。
根据ZigBee 的特征，本文设计的ZigBee 无线传感器网络结构如图1所示。
图1 ZigBee无线传感器网络结构根据对远程智能浇灌系统的功能需求调查结果，本文设计了如下功能。
（1）数据采集功能。
通过ZigBee 模块对传感器进行读取，获取土壤温湿度、空气温湿度和日照强度信息数据，通过无线传感器网络发送传感器数据。
（2）数据通信功能。
把传感器节点监测到的数据进过多跳传递经ZigBee 传感器网络、GPRS 网络、互联网，传送到服务器上，以及把管理平台的控制指令再发送到监控节点完成整个数据间的双向通信。
（3）远程控制功能。
管理平台远程发送指令，控制电磁阀门实现灌溉操作的远程控制。
（4）自动控制功能。
管理平台根据传感器信息分析环境状态，自动远程发送指令控制电磁阀门，进而实现灌溉操作的远程自动控制。
本文设计的远程智能浇灌系统的实现主要解决以下两个方面的技术要求。
（1）电路系统的供电问题。
用于ZigBee 无线传感器节点和汇节点均采用电池供电，因此对功耗要求非常苛刻，对电池的容量也有较高的要求，并且根据实用性考虑尺寸也不能太大，因而要求能量密度大并且能满足户外的工作环境要求。
（2）无线通信的可靠性问题。
首先，要求本系统要有无线网络的自组织功能，能够在无需人工干预的情况下，各网络节点能够接收到其他节点的无线信号后确立连接关系，组成结构化的整体网络。
基于ZigBee技术的无线智能灌溉系统的研制
基于Zig Bee技术的无线智能灌溉系统的研制方旭杰1,周益明1,程文亮2,丁潮洪2,杨祥龙1(1.浙江大学农业生物环境工程研究所,杭州 310029; 2.丽水市农业科学研究所,浙江丽水 323000)摘 要:近年来,如何节水省工成为灌溉技术的研究重点之一。
针对丽水黑木耳的种植,研究设计了一套基于Zig Bee技术的无线智能灌溉系统。
相对于传统的灌溉方式,该系统实现了灌溉的智能化和无线化,通过在灌溉现场的长时间运行,充分证明了系统的可行性和可靠性。
为此,主要介绍了Zig Bee网络中的传感器节点和控制器节点的硬件设计以及整个智能灌溉系统的软件设计。
作为无线传感器网络技术在智能灌溉领域的探索性研究,可为以后建立大型的远程智能灌溉系统奠定基础。
关键词:灌溉;智能化;Zig Bee技术;无线网络中图分类号:S126;S625.5 文献标识码:A文章编号:1003-188X(2009)01-0114-050 引言水是生命之源,对于任何一种土壤种植作物来说,灌溉都是必不可少的,适时适量的灌溉不但能给作物提供合理有效的水分补给,而且也符合国家提倡节水灌溉的大趋势。
作物的灌溉一方面要求提高供水质量的精确性,灌水均匀度要高;另一方面要求保证供水的可靠性和连续性。
在实际应用中要实现这两点要求,单靠手工操作是不可能满足的,因此灌溉系统的智能控制应运而生[1]。
在当今信息时代的大背景下,越来越多的新技术被应用到农业中,基于Zig Bee的无线传感器网络技术就是其中的一种,它具有数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等独特的优势,而基于Zig Bee技术的无线智能灌溉系统具有低成本、可靠性好、可维护性高、适用性好等特点[2-3],能够满足我国智能节水灌溉发展的迫切需要。
本文针对浙江省丽水的黑木耳种植特点设计了无线智能灌溉系统,网络中的传感器节点负责环境参数(包括空气温度、空气湿度和光照度等)的数据采集,并定时向协调器节点发送传感器所测得的数据,协调器节点收到这些测得的环境参数后,再根据合适的控制策略向控制器节点发送相应的灌溉命令,从而实现合理有效的灌溉,以保证黑木耳生长的最优化水收稿日期:2008-05-08基金项目:浙江省科技计划项目(2005C22060)作者简介:方旭杰(1984-),男,浙江金华人,硕士研究生,(E-mail)kobefang318@。
基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统
基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统作者：高军丰光银黄彩梅来源：《现代电子技术》2010年第01期摘要:为提高灌溉用水利用率,缓解水资源日趋紧张的矛盾,采用基于ZigBee技术的无线传感网络与GPRS网络相结合的体系结构,基于CC2530芯片设计无线节点,开发了此节水灌溉控制系统。
该系统以单片机为控制核心,由无线传感器节点、无线路由节点、无线网关、监控中心四部分组成,能实时监测土壤温湿变化,根据土壤墒情和作物用水规律实施精准灌溉。
系统实现了节水灌溉的自动化控制,有助于改善农业灌溉用水的利用率和灌溉系统自动化的水平普遍较低的现状。
关键词:ZigBee;无线传感器;节水灌溉;墒情监测中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)01-204-03Water-saving Irrigation Control System Based on Wireless Sensor NetworkGAO Jun,FENG Guangyin,HUANG Caimei(Qinhuangdao Branch,Northeastern University,Qinhuangdao,066004,China)Abstract:In order to improve the utilization of irrigation water,and ease the growing tension of water conflicts,a water-saving irrigation control system is introduced,which integrates the ZigBee wireless sensor network technology and GPRS network,designs wireless nodes based on CC2530.The system,which is controlled by single chip microcomputer has four major components: wireless sensor nodes,wireless routing nodes,wireless gateways and control centers.It can be real-time moni-toring of soil temperature and humidity changes,and it is based on soil moisture and crop water law for precision irrigation.The system automatically controls water based on crop irrigation water,which can help to improve the utilization rate of agricultural irrigation water and the low level of automation of irrigation systems.Keywords:ZigBee;wireless sensor;water-saving irrigation;soil moisture monitoring农业灌溉是我国的用水大户,其用水量约占总用水量的70%。
基于ZigBee的自动灌溉控制设备[实用新型专利]
![基于ZigBee的自动灌溉控制设备[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/d46a45ceccbff121dc3683b2.png)
专利名称：基于ZigBee的自动灌溉控制设备专利类型：实用新型专利
发明人：姜义,宋耀辉,范凌烨,杨堃
申请号：CN201920127238.9
申请日：20190125
公开号：CN209527415U
公开日：
20191025
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：基于ZigBee的自动灌溉控制设备。
现有农业自动灌溉系统灌溉用水利用效率不高。
本实用新型组成包括管网（18），在管网上设置有一组喷灌喷头（17），喷灌喷头具有控制喷水的开关控制电磁阀（20）；ZigBee终端节点模块分别与土壤湿度传感器（5）、大气温湿度传感器（1）、光照强度传感器（2）、电池组A（6）连接，ZigBee终端节点模块（3）与ZigBee协调器节点模块（7）通过无线信号连接，ZigBee协调器节点模块与STM32主控芯片（13）连接，主控芯片分别与GPRS 模块（14）、按键（19）、LCD显示器（8）、电池组B（12）、喷灌喷头的开关控制电磁阀连接。
本实用新型应用于农业自动灌溉。
申请人：哈尔滨理工大学
地址：150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号
国籍：CN
代理机构：哈尔滨东方专利事务所
代理人：陈晓光
更多信息请下载全文后查看。
基于zigbee的农田节水灌溉控制系统设计
第二章 ZigBee 无线传感器网络技术 ................................. 5
研究生签名：
时间：
年
月
日
关于论文使用授权的说明
本人完全了解北方民族大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意北方民族大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。
关键词：节水灌溉，ZigBee，CC2530，灌溉方式
I
Abstract
At present, the water resources available for agriculture production are very poor in China. Meanwhile, the water waste is a usual phenomenon in the irrigation. Therefore, the development of farmland water-saving irrigation control system is of great important for the sustainable agricultural development in China. Currently, for the vast majority of existing water-saving irrigation control systems, their functions are limited while their volumes are huge. Moreover, most existing systems still use laying cables to collect data and run control operations. As a result, there are many issues in existing irrigation control systems such as the difficulties for assembling and post-maintenance. Therefore, the utilization of wireless network sensors in the water-saving irrigation control systems becomes an important part of water-saving irrigation. The construction of a wireless water-saving irrigation control system can be divided into two parts. The first part is the construction of a wireless sensor network; the second part is the design of the irrigation control center. The two parts exchange data through the serial port. In the first part, based on the CC2530 ZigBee wireless network chip, we designed the coordinator, the router, and the end device. The work flow is as follows. At first, the end device collect soil moisture data. Then the collected data are sent to the coordinator node directly or by the router node. In the third step, all the data are arranged by the coordinator node and sent to the data center.. Each node uses the same structure and its type is set by the software. The designed wireless network can avoid the disadvantages of the laying cable on farmland. The second part is the design of the control center. Based on the single chip processor, we designed a new water-saving irrigation control center. Specifically, we designed the software and hardware components of the circuit of the center. The hardware component can shows the output which can facilitate users to observe the current irrigation conditions. As for the software component, the irrigation patterns are very important. According to different soil conditions, the irrigation control system can perform three different irrigation strategies, namely, timing, delay, and wave surge irrigations. The three strategies can meet the crop irrigation requirements, while the waste of water resources is greatly reduced. Our designed water-saving irrigation control system has the advantages of low-cost, small-size, easy-installation, and reliable-operation, etc. Compared with existing computer control systems, the water-saving ratio of our designed system is higher and thus can be easily promoted in the market.. Our designed system will advance the water saving irrigation project in China, and plays a catalytic role in the future development of water-saving irrigation control products.
基于GPRS的农业节水灌溉自动化系统解决方案
基于GPRS的农业节水灌溉自动化系统解决方案1.概述我国是一个水资源严重缺乏，水旱灾害频繁的国家。
虽然水资源的总量居世界第6位，但是按人均水资源量计算，人均占有量只有2500立方米,约为世界人均水量的1/4，在世界排110位，已被联合国列为13个贫水国家之一。
另一方面，我国水资源的分布很不平衡。
北方有些地区水资源的占有量仅为900 立方米，低于国际公认的1000 立方米的水资源下限.有些地区的人均占有量甚至低于世界最贫水的国家埃及和以色列的水平.我国农业用水量约占总用水量的80％左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍低下,就全国范围而言,水的利用率仅为45 % ，而水资源利用率高的国家已达70% 一80％，因而，解决农业灌溉用水的问题,对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。
在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。
灌溉系统自动化的水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因.以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度.由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展,对灌区用水进行监测预报，实际动态管理.采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现水管理的自动化。
高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率。
要真正实现水资源的高效,仅凭单项节水灌溉技术是不可能解决的.必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水规律等方面统一考虑.做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。
如今,水资源紧缺已成为制约我国乃至全球经济发展的“瓶颈”，每年农业用水更是占据了我国总用水量中的70％，农业灌溉效率低下和用水浪费的问题普遍存在，因此发展节水农业、提高农业用水利用效率是我国节水战略中的重要环节。
2。
系统方案概述托普物联网研制的节水灌溉自动化系统依据不同地区、不同作物的不同需求，选择不同的灌溉设施，并利用网络技术和信息化产品等先进技术对农田灌溉进行监控管理，保证适时适量地满足作物生长所需要的水分从而达到节水灌溉及节水灌溉自动化的目的。
基于GPRS农业自动浇灌系统解决方案设计
基于GPRS农业自动浇灌系统解决方案设计水是生命的基础，植物正常的生命活动确实是成立在不断地吸水、传导与运输、利用和散失的进程之上。
在我国水资源却严峻不足，使我国成为世界上13个淡水资源最贫乏的国家之一。
人均占有淡水资源仅为世界人均占有量的四分之一。
水资源的匮乏给我国农业进展带来了极大的障碍和困难。
农作物生长的土壤需要维持必然的湿度，人们通常依照种植的体会对农作物进行浇灌，不能及时或不能精准地操纵浇水的多少，往往造成大水漫灌，在专门大程度上白白地浪费掉一大部份水资源。
如何利用有限的水资源，走“节水农业”已经成为农业生产取得最正确的效益和持续稳固进展的增加点。
因此利用自来水发电的智能浇灌系统，操纵喷灌和微灌系统，能有效地减少田间灌水进程中的渗漏和蒸发损失。
现有的浇灌系统都要外接电源，存在必然的平安隐患且较麻烦。
本系统可在无供电条件的地域利用，其最大优势为节水、节能、节约劳动力。
水是一切生命进程中不可替代的大体要素，水资源是国民经济和社会进展的重要基础资源。
我国是世界上13个贫水国之一，人均水资源占有量2300立方米，只有世界人均水平的1/4，居世界第109位。
而且时空散布很不均匀，南多北少，东多西少；夏秋多，冬春少；占国土面积50％以上的华北、西北、东北地域的水资源量仅占全国总量的20％左右。
最近几年来，随着人口增加、经济进展和城市化水平的提高，水资源供需矛盾日趋尖锐，农业干旱缺水和水资源欠缺已成为我国经济和社会进展的重要制约因素，而且加重了生态环境的恶化。
按现状用水量统计，全国中等干旱年缺水358亿立方米，其中农业浇灌缺水300亿立方米。
20世纪90年代以来，我国农业年均受旱面积达2000万公顷以上，全国660多个城市中有一半以上发生水危机，北方河流断流的问题日趋突出，缺水已从北方蔓延到南方的许多地域。
由于地表水资源不足致使地下水超采，全国区域性地下水降落漏斗面积已达万平方千米。
发达国家的农业用水比重一样为总用水量的50％左右。
基于ZigBee技术的无线自动滴灌系统设计
基于ZigBee技术的无线自动滴灌系统设计
郭毓灵;宁芊
【期刊名称】《节水灌溉》
【年(卷),期】2011()2
【摘要】ZigBee是近期大量研究与应用的一种短距离无线传输技术,在介绍该技术特点基础上,研究其在农田自动滴灌系统中的应用。
采用网状拓扑结构、CC2430和CC2591芯片、水压传感器和电磁阀,设计了一种基于ZigBee技术包含土壤湿度监控的自动滴灌系统。
该系统监控土壤湿度变化,通过无线传输网络反馈传感信号,结合传感器融合技术对滴灌动作进行精确控制和判断。
通过相关实验结果表明,ZigBee技术是实现无线自动滴灌系统的一种理想解决方案。
【总页数】4页(P66-68)
【关键词】自动滴灌;ZigBee;无线传感网络;网状拓扑
【作者】郭毓灵;宁芊
【作者单位】四川大学电子信息学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP274;TP873
【相关文献】
1.基于Zigbee无线传感器网络的山地橘园精细化滴灌系统设计 [J], 王卫星;高奕龙;陈佳森;陈奕航;林晓龙;
2.基于Zigbee技术的新型国家自动站无线通讯系统设计 [J], 黄剑钊; 徐明芳; 王
玮; 黎勋
3.基于ZigBee无线传感技术的自动化滴管系统设计 [J], 吴旭
4.基于ZigBee无线传感网络的自动滴灌系统设计 [J], 杨婷;汪小旵
5.基于ZigBee技术的农田滴灌自动控制系统设计 [J], 盛会;郭辉
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ZigBee的远程低功耗灌溉控制系统设计
ZigBee的远程低功耗灌溉控制系统设计吴祥;康戈文【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》【年(卷),期】2013(13)4【摘要】This paper designs a remote wireless control system based on ZigBee and GSM for farmland drip irrigation. The PC and ZigBee coordinator in farmland is designed. Messages are transmitted between ZigBee coordinator and ZigBee terminals for safe and effective control of the irrigation system. Time synchronization algorithm suitable for ZigBee star network is used to make ZigBee nodes sleep/ wake in the same time. The control strategy of electromagnetic valves is designed for effective security control.%设计一套基于ZigBee和GSM远程无线控制系统,对农田里的滴灌系统进行远程控制.设计了上位机和农田中的ZigBee协调器,ZigBee协调器与ZigBee终端传输消息来对灌溉系统进行安全有效的控制.采用适合于ZigBee星型网络的时间同步算法,满足ZigBee节点的同步休眠与唤醒的需要.设计相应的电磁阀控制策略对电磁阀进行安全有效的控制.【总页数】4页(P64-67)【作者】吴祥;康戈文【作者单位】电子科技大学航空航天学院,成都610000【正文语种】中文【中图分类】TN925【相关文献】1.节水灌溉控制系统中的ZigBee节点低功耗技术研究 [J], 刘志军;杨跃;何启莲2.基于Zigbee和GPRS的远程精确灌溉系统设计 [J], 苑立娟;汪涛3.基于ZigBee技术的甘蔗墒情远程监测及灌溉自动控制系统设计 [J], 李海生;郑鑫;杨秀增4.基于ZigBee技术的远程智能节水灌溉系统设计与实现 [J], 张锋;黄树州;饶武雄;5.基于ZigBee技术的甘蔗墒情远程监测及灌溉自动控制系统设计 [J], 李海生;郑鑫;杨秀增因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
使用液压传感器可以随时监测过滤罐内的水压 变化，当发生阻塞时，过滤罐内的水压会发生变化； 该 压力值由压力变送器通过 PLC 发给控制系统，当压力 达到设定阈值时，由 PLC 控制电磁阀的通断，并可以 经过反冲洗清通过滤网。
过滤驱动控制阀的控制原理如图 2 所示。在初 始状态，启闭腔体内没有压力水，水流通过阀体，此时 通水口 1 和 2 连通； 如果系统出现阻塞情况，在控制 器的控制下，有压力水通过驱动口流到阀体的启闭腔 内，腔体内部的弹簧被顶起，当达到某种程度时，通水 口 1 和 2 断开，高压水通过反冲，将过滤网冲洗干净， 从而避免过滤装置发生严重阻塞。
4 结论
依据 ZigBee 和 GPＲS 无线通信技术，对精细化灌 溉装置进行 了 优 化 设 计，包 括 滴 灌 系 统 过 滤 器、滴 灌 系统喷头电磁控制阀等，并提出了一种全智能的节水 灌溉装置远程监控和自动化调节系统，从而实现了滴 灌的精细 化 操 作，提 高 了 农 田 灌 溉 的 自 动 化 作 业 水 平。对过滤装置和滴灌喷头电磁阀的性能进行了测 试，结果表明： 利用智能滴灌控制系统可以有效地监 测到过滤器阻塞信息，并能够利用反冲洗功能消除阻 塞情况。滴灌喷头可以根据土壤的湿度进行自动化 调节，并能够 实 时 地 输 出 湿 度 监 测 曲 线，提 高 了 灌 溉 系统的智能化水平，为现代农业灌溉装置的设计提供 了技术参考。
DOI:10.13427/ki.njyi.2017.08.043
0 引言
我国是一个水资 源 严 重 短 缺 的 国 家 ，近 年 来 北 方 和西南地区遭遇了几十年不遇的干旱天气，使全国的 受旱面积多达数百万公顷，从而敲响了节约用水的警 钟。农业用水是水资源消耗的主要因素之一，而采用 高效、智能化 灌 溉 技 术 可 以 大 大 节 约 水 资 源，不 仅 可 以缓解水 资 源 的 紧 张，还 可 以 促 进 精 细 化 农 业 的 发 展。随着无线通讯技术的发展和普及，无线传感网络 ZigBee 和 GPＲS 技 术 已 经 日 渐 成 熟。由 于 ZigBee 成 本低、功耗小 和 可 靠 性 高，被 广 泛 应 用 于 短 距 离 通 信 中； GPＲS 覆盖区域较大，基本可以覆盖所有人类居住 的地方，且其维护成本较低、安装方便，可以实现远距 离通信。因此，将 ZigBee 和 GPＲS 技术应用到节能灌 溉系统中，可 以 有 效 地 提 高 灌 溉 装 置 的 自 动 化 程 度， 实现精细化灌溉。
通过第 1 级过滤器将砂石滤除后，滴灌水中只剩 下无机物杂 质 颗 粒，经 过 网 状 过 滤 网 后，将 较 小 的 颗 粒滤除，通过智能监测可以得到过滤器的压力变化曲 线。两级过滤器的实验测试图如图 7 所示。
图 9 土壤湿度滴灌测试示意图 Fig． 9 Schef soil moisture
分布式传感网络 主 要 由 网 络 节 点 、汇 聚 节 点 和 互 联网主控器组成，典型无线网络传感器主要包括分布 式的无线网络传感器节点、汇聚节点及无线网，如图 5 所示。每个传感器节点都有一个较小的发射范围，然 后将每一个子节点收集的数据传输到远程控制节点。
为了优化节水灌 溉 无 线 网 络 的 资 源 配 置 ，引 入 了 Apriori 关联规则。假设 I = ｛ i1 ，i2 ，i3 ，i4 ，i5 ｝ 是所有 无线网络节点集合，D 为项目集合数据库，而每个局 域网 T 是项目的集合，T 被包含在 I 中。假设 X 是某 些项目的结合，如果 T 中包含 X，则称事务 T 包含 X， 其关联规则为： X 包含在 TY 包含在 T，表示 XY， 这里的表示关联操作。其中，X 表示关联规则假设 条件，而 Y 表示关联规则的运行结果。
图 7 两级过滤器实验测试图 Fig． 7 Two － level filter test chart
图 8 表示滴灌系统过滤器的压力监测曲线，该曲 线由无线网络通过远程传输到达远程监控终端。由 图 8 可以看出： 在过滤器阻塞时，压力会突然增加，当 超过一定阈 值 时，驱 动 控 制 阀 会 控 制 通 水 口 断 开，并 进行反冲操作，从而避免过滤器的严重阻塞。
图 9 表示滴灌湿度测试的实验示意图。在滴灌 的喷头部位安装湿度传感器，可以对土壤的水分比重 进行实时的测量，测试结果通过分布式网络传输到远 程终端，如图 10 所示。
3 分布式智能监测节水灌溉装置实验测试
由于灌溉水源的 水 质 较 为 复 杂 ，因 此 过 滤 器 选 择 两级过滤器： 第 1 级过滤器为砂石过滤器，将大的杂 质滤除； 第 2 级为网状过滤器，可以将小的杂质滤除， 从而避免滴灌喷头的阻塞。
1 节水灌溉系统装置和总体框架设计
在节水灌溉系统中，过滤器是重 要 的 机 械 设 备， 是保证水从水源到喷头的关键。在进行过滤时，随着 水源杂质 的 增 多，在 过 滤 网 表 面 沉 积 后 容 易 发 生 阻 塞，因此需要 采 用 监 测 设 备 对 该 过 程 进 行 实 时 监 测 ， 这就需要对普通的滴灌喷头进行改装。改装过程中， 在过滤罐上安装液压传感器，结构如图 1 所示。
送 到 远 程 监 控 端 ，且 实 现 了 自 动 化 过 滤 装 置 的 反 冲 洗 功 能 、滴 灌 喷 头 的 自 动 化 调 节 及 滴 灌 的 精 细 化 作 业 。
关键词： 滴灌喷头； 智能监测； 分布式； ZigBee
中图分类号： S275
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（ 2017） 08 － 0212 － 04
2017 年 8 月
农机化研究
第8 期
基 于 ZigBee 和 GPＲS 智 能 监 测 的 节 水 灌 溉 装 置 设 计
李凌雁，李 鑫，曹世超
（ 邢台职业技术学院，河北 邢台 054000）
摘 要： 为 了 提 高 农 业 用 水 的 利 用 率 ，解 决 农 业 用 水 紧 张 问 题 ，提 出 了 一 种 基 于 分 布 式 ZigBee 和 GPＲS 无 线 通 信
图 4 网络子节点硬件组成结构示意图 Fig． 4 Schematic diagram of hardware structure of network sub nodes
该系统采用 12V 的蓄电池作为电源，使用单片机 作为控制器，单片机通过土壤水分传感器采集土壤湿 度，并将数据读取保存到存储器中。控制器通过控制 零压启动电磁阀实施灌溉操作，并利用 CC2430 组成 无线传感网络和 GPＲS DTU 与无线网进行数据连接， 将采集的网络传输到远程控制终端，实现定时定量和 精确化灌溉。
图 3 为本次使用湿度传感器，该传感器的工作量 程为 0 ～ 100% （ m3 / m3 ） 。为了使其信息可以在远程 监控终端显 示，需 要 将 其 配 置 在 无 线 网 络 内，整 个 无 线网络是由分布式的传感网络子节点构成，每个节点
·212·
2017 年 8 月
农机化研究
包括电源、控制器、零压启动电磁阀、ZigBee 无线网和 土壤湿度传感器，如图 4 所示。
收稿日期： 2016 － 05 － 05 基金项目： 国家自然科学基金青年基金项目（ 51305152） 作者简介： 李凌雁（ 1981 － ） ，女，西安人，工程师，（ E － mail） llyan81@ si-
na． cn。
图 1 液压传感器结构示意图 Fig． 1 Schematic diagram of hydraulic sensor structure
第8 期
图 5 分布式传感网络节点 Fig． 5 Distributed sensing network node
2 节水灌溉分布式网络优化
图 2 过滤驱动控制阀 Fig． 2 Filter drive control valve
图 3 湿度传感器 Fig． 3 The humidity sensor
图 6 分布式传感网络优化流程 Fig． 6 The optimization process of distributed sensor network
首先通过数据分析来设定网络优化最小支持度 和最小置信度，然后利用关联规则对无线网络进行优 化，使网络配置达到最优后，确定分布式网络。
图 8 过滤器压力监测曲线 Fig． 8 The pressure monitoring curve of the filter
·214·
2017 年 8 月
农机化研究
第8 期
图 10 土壤湿度监测曲线 Fig． 10 The moisture monitoring curve of the soil
由图 10 可以看出： 随着时间的推移，在两次滴灌 时间间隔内，土壤的湿度先增加、后减小； 当土壤湿度 降低到一定值时，电控阀会控制滴灌喷头继续滴灌作 业，以保持土壤湿度维持在一定值之内。
在数据挖掘的关联规则算法中，Apriori 算法是使 用频率最高的算法，其他的关联规则算法一般都是基 于 Apriori 研发的，这些算法的共同特性是频繁项目集 和的任一子集也是频繁项目集。Apriori 算 法 以 不 断
·213·
2017 年 8 月
农机化研究
第8 期
对候选项进行增加的方式来逐步搜索最大的频繁项， 从搜索第 1 频繁项到搜索第 2 频繁项，直到频繁项的 长度不能增加为止。在每次的循环过程中，首先产生 一个项目频繁集合 Ck ，然后利用支持度来搜索 k 频繁 项目集 Lk 。其中，分布式传感器网络节点的频繁项集 搜索主要步骤为：