基于ZigBee技术的农田自动节水灌溉系统
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无线传感网络的节水灌溉系统设计
基于ZigBee无线传感网络的节水灌溉系统设计
“节约用水，人人有责”，水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源。
因此，推广节水灌溉也已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择。
本文提出一种基于ZigBee 无线传感器网络的设计方案，并根据农田的特殊条件，设计出一套节水灌溉系统，避免了依附于其他通信网络所产生的额外费用。
1 系统平台整体设计方案
按照功能需求，硬件平台共可分为以下五个部分：数据采集站，传输基站，数据处理中心，远程监测站以及电磁阀控制站。
图1 为系统的硬件平台结构图。
图1 系统结构框图
系统中各部分的功能与工作流程如下：首先根据农田的管道分布情况，以及ZigBee 无线节点的有效通信距离，将灌溉区分割为数块独立的灌溉控制
单元，在每个单元中设有一个或数个传输基站和若干分布在农田不同位置的数据采集站，数据采集站通过与其连接的传感器采集土壤湿度参数，并将数据定时传送给传输基站；传输基站负责管理其管辖区域内的各个数据采集站，当数据处理中心询问数据时，传输基站将数据进行第一级融合后以Ad hoc 的方式上传给数据处理中心；数据处理中心首先对接收到的数据进行聚类、存储并与其他的参数(如气象信息、水文地理信息、专家系统以及作物的特征信息等)按照
一定算法实现第二级融合，做出初步判决，并将判决结果连同部分关键数据通过光纤以太网或者GPRS 模块传送给远程监测站，请求经验丰富的工作人员做最后的判决，并将判决信息返回给数据处理中心，数据处理中心根据判决结果。
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IPv6的ZigBee组网智能滴灌系统
基于IPv6的ZigBee组网智能滴灌系统随着全球人口的增长和资源的稀缺，农业滴灌系统成为了现代农业中的重要技术手段。
而随着智能化的发展，基于IPv6的ZigBee组网技术被广泛应用于农业滴灌系统中，以提高水资源利用效率和农作物产量。
基于IPv6的ZigBee组网智能滴灌系统可以实时监测土壤湿度、温度等环境参数，并根据农作物的需水量自动调控灌溉设备，实现精细化的滴灌管理。
下面将详细介绍这一系统的结构与功能。
系统结构：该系统主要由以下几个部分组成：传感器节点、智能控制器、执行器节点和手机APP。
1. 传感器节点：传感器节点负责采集土壤湿度、温度等环境参数，并将数据发送给智能控制器。
传感器节点使用低功耗且成本较低的ZigBee无线通信协议与智能控制器进行通信。
2. 智能控制器：智能控制器负责接收传感器节点发送的数据，并根据设定的阈值和农作物的需水量来控制灌溉设备的开启和关闭。
智能控制器还可以通过互联网连接到服务器，实现远程监控和控制。
3. 执行器节点：执行器节点是灌溉设备的控制节点，负责接收智能控制器发送的指令，并控制灌溉设备的开启和关闭。
执行器节点同样使用ZigBee通信协议与智能控制器进行通信。
4. 手机APP：手机APP可以连接到智能控制器，用户可以通过手机APP实时监测土壤湿度、温度等环境参数，并进行灌溉设备的远程控制。
手机APP还可以提供农作物的需水量和灌溉时机的建议，帮助用户实现更加科学的农业生产。
1. 环境监测：传感器节点可以实时监测土壤湿度、温度等环境参数，为农民提供准确的环境数据。
2. 省水灌溉：根据农作物的需水量和土壤湿度数据，智能控制器可以精确控制灌溉设备的开启和关闭，实现精细化的滴灌管理，从而节约水资源。
3. 远程监控与控制：智能控制器可以通过互联网连接到服务器，用户可以通过手机APP实现远程监控和控制，随时随地了解和控制灌溉系统的运行情况。
4. 数据分析与决策支持：系统可以收集和存储大量的土壤湿度、温度等环境参数数据，通过对数据的分析和处理，为用户提供土壤条件的变化趋势、农作物的生长情况和灌溉效果等方面的决策支持。
基于ZigBee技术的农田灌溉系统的研制-文献综述
基于ZigBee技术的农田灌溉系统的研制温磊指导教师：刘士光、马继伟摘要：ZigBee是最近提出的一种近距离、低功耗、低成本、低复杂度、低数据速率的双向无线通信技术，无线网络采用多种类型的配置，由协调器节点（主设备）和多个终端设备(从设备）组成。
由Chipcon公司自主研发出的CC2430芯片完全由硬件支持ZigBee技术标准，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器.本文主要介绍基于ZigBee技术在农田节水灌溉系统中的系统建立以及分析了当前水利资源、农业灌溉技术的发展形式。
关键词：ZigBee 技术；CC2430芯片；节水灌溉；水分传感器；手持式通信器引言我国人均水资源不到世界平均水平的1/4,而且我国灌溉水有效利用率(约为40%)也远低于发达国家水平（约为50%—70％）[1].我国农业产业素质和农产品的竞争力与发达国家出现了较大的差距，农业高投入低产出的矛盾已经显现,数字化农业成为发展方向[2］。
充分有效地利用有限的资源,发展节水农业,成为中国农业关注的重点。
随着近年来人类在微电子机械系统、无线通信、数字电子方面取得的巨大成就,使得发展低成本、低功耗、小体积、短距离通信的多功能传感器成为可能。
ZigBee技术的出现就解决了这些问题。
将无线ZigBee传感器网络和人工智能结合，可以大大减少农田灌溉系统的人员投入和促进了农田节水灌溉工程发展［3]。
下是由于ZigBee技术具有功耗低、系统简单、组网方式灵活、成本低、等待时间短等性能，相对于其他无线网络技术，它更适合于组建大范围的无线农田节水灌溉网络[4］。
1 ZigBee技术特性及特点ZigBee即IEEE802.15.4技术标准，是WPAN(IEEE802.15工作组)的标准之一，致力于实现一种适用于固定、便携或移动设备中使用的低复杂度、低成本、低功耗、低速率的短距离双向无线通信协议。
ZigBee可工作在国际免授权的2。
基于ZigBee无线传感器网络的精准灌溉控制系统的开题报告
基于ZigBee无线传感器网络的精准灌溉控制系统的开题报告一、选题背景及意义随着我国工业化、城镇化和现代化不断推进，水资源日益紧缺，已不是以往可以随意浪费的时代。
同时，地球气候不断变化，全球降水频率、集中度不断下降，而灌溉是农业生产中不可或缺的一部分，合理地利用水资源，实现农作物的精准灌溉，是提高农业生产效率的重要途径。
ZigBee无线传感器网络技术能够实现对灌区进行实时监测，并将相关数据传递给灌溉控制器，实现对灌溉设施的智能控制。
因此，基于ZigBee无线传感器网络的精准灌溉控制系统的研究与开发具有重要的理论和实践意义。
二、研究目标本文旨在研究基于ZigBee无线传感器网络的精准灌溉控制系统，具体研究目标包括以下三个方面：1. 实现对灌区土壤温度、湿度、光照强度等环境参数的实时监测，通过无线传感器网络将这些数据传递给灌溉控制器。
2. 结合土壤含水量、气象预报等信息，利用控制算法，预测土壤含水量和农作物生长情况，并确定最佳灌溉方案。
3. 在以上基础上，设计并实现基于ZigBee无线传感器网络的灌溉控制系统原型，并进行实验验证。
三、研究内容本文的研究内容如下：1. 对灌区土壤温度、湿度、光照强度等环境参数进行实时监测。
2. 结合土壤含水量、气象预报等信息，预测土壤含水量和农作物生长情况，并确定最佳灌溉方案。
3. 设计并实现基于ZigBee无线传感器网络的灌溉控制系统原型。
4. 进行实验验证，测试系统在不同灌溉条件下的控制效果。
四、研究方法本文采用以下研究方法：1. 调研和分析现有的精准灌溉控制技术和方法，包括传感器技术、数据处理算法、控制方法等。
2. 通过实验和仿真方法，对监测设备和控制算法进行验证和优化。
3. 借助MATLAB等工具对数据进行处理和分析。
4. 设计和实现基于ZigBee无线传感器网络的灌溉控制系统原型。
五、预期结果1. 实现对灌区土壤温度、湿度、光照强度等环境参数的实时监测，通过无线传感器网络将这些数据传递给灌溉控制器。
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：
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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ZigBee无线感测器网络的智能灌溉系统设计与实现
基于ZigBee无线感测器网络的智能灌溉系统设计与实现基于ZigBee无线感测器网络的智能灌溉系统设计与实现摘要：随着农业生产的发展，对于灌溉系统的智能化和自动化要求也越来越高。
为了提高农业生产效益和节约水资源，在本文中，我们设计并实现了一个基于ZigBee无线感测器网络的智能灌溉系统。
该系统能够通过无线感测器网络收集土壤湿度、温度、光照等环境参数，并根据这些参数来实现自动灌溉控制。
实验结果显示，该系统能够实时监测和控制土壤湿度，实现智能灌溉，在一定程度上提高了农作物的产量。
1. 引言灌溉是现代农业生产中一项重要的环节。
传统的灌溉方式存在许多问题，如耗水量大、易造成地下水位下降、浪费水资源等。
为了解决这些问题，智能灌溉系统应运而生。
智能灌溉系统通过感知环境参数，实时控制灌溉水量，从而达到节约水资源和提高农业生产效率的目的。
2. 系统设计本文的智能灌溉系统采用ZigBee无线感测器网络作为数据传输通道。
ZigBee无线感测器网络具有低功耗、自组织、低成本等特点，非常适合于农田环境的感测和传输。
2.1 硬件设计本系统包括多个节点，每个节点由一个ZigBee无线传感器模块、一个土壤湿度传感器、一个温度传感器和一个光敏传感器组成。
这些传感器分别测量土壤湿度、温度和光照强度，并通过ZigBee无线传感器模块将数据发送到协调器节点。
协调器节点负责接收和处理来自各个节点的数据，并通过无线方式将数据发送到上位机。
2.2 软件设计软件设计主要分为移植操作系统、节点软件设计和上位机软件设计三个部分。
移植操作系统是为了方便节点软件的开发和管理，本系统选择了嵌入式操作系统Contiki。
节点软件设计包括感测和传输功能的实现，采用C语言编写。
上位机软件设计是为了方便用户对灌溉系统进行监测和控制，采用Java语言编写，并通过串口与协调器节点通信。
3. 系统实现我们在实验室环境中搭建了一个小型的农田模拟场景，并部署了多个节点。
基于ZigBee实用技术的大规模农业灌溉控制数据传输措施
基于ZigBee技术地大规模农业灌溉控制数据传输方案重庆勤智科技有限公司基于ZigBee技术地大规模农业灌溉控制数据传输方案一、前言水对于农业生产地意义是不言而喻地，它是农业生物体生长、发育与产量形成不可缺少地因素，而且其需要量很大.在生物体不同生长发育时期，对水分地要求不同；而诸多因素可以影响作物体地水分需求.为了提高水分地利用效率，提高农作物地产量，实施灌溉控制就成为了一个必需要解决地问题.农业地灌溉控制并不是简单地对浇灌阀门地控制，要实现对农业作物需水地有效控制就需要了解土壤水分、土壤水势地分布，土壤-作物-大气系统中地气态水地运动，植物水分地散失，以及土壤水分地有效性问题，还要了解降水、空气湿度等地影响.这些影响灌溉控制地数据量都要通过各种传感器进行采集，但是如何在野外没有电力和网络支持地环境下组建一个低功耗、低成本、高可靠性地传感器网络来实现对采集数据地传输就成为了一个需要解决地难题.现在应用比较广泛地无线传输技术主要有WLAN、工业无线微波、GPRS、蓝牙、ZigBee.WLAN和工业无线微波地传输速率高，距离远，但是大规模使用地成本高，功耗大，对速率要求不高地传感器网络来说并不适合.GPRS地传输距离远，速率适中，但由于要使用第三方地网络所以后期使用成本比较高.蓝牙地传输距离过短，而且同一个局域网最多内只能有7个终端设备，也不能使用在大范围地传感器网络上.ZigBee无线传输技术具有低功耗、低成本、低数据率、传输距离适中地特点，同一局域网内最多可以容纳65000个节点设备，所以ZigBee无线传输技术正是组建大规模传感器网络地最佳选择.二、 ZigBee技术简介1、概述ZigBee是一种新兴地短距离、低功耗、低数据率、低成本、低复杂度地无线网络技术.ZigBee技术基于 IEEE 802.15.4无线物理层标准，在继承IEEE 802.15.4省电、简单、成本低地规格地同时又增加了逻辑网络、网络安全和应用层，使其网络安全性和可应用性得到了很大地提高.2、短程无线网络标准地对比3、ZigBee网络设备类型一个完整地ZigBee网络由以下三种设备组成：网络协调器（CFD）：包含所有地网络消息，是3种设备类型中最复杂地一种，存储容量最大、计算能力最强.发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间地路由信息、不断地接收信息.全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，让其它地FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器地功能，可提供信息双向传输.附带由标准指定地全部802.15.4功能和所有特征.具有更多地存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用.同时该设备也可以用作终端设备.精简功能设备（RFD）：RFD只能传送信息给FFD或者从FFD接收信息.RFD附带有限地功能来控制成本和复杂性，通常在网络中用作终端设备.4、ZigBee网络拓扑结构a、星形网络b、簇状网络c、网状网络FFD）：可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以可以和任何一种设备通信.RFD）：只支持星形结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信.5、ZigBee网状（MESH）网络MESH网状网络拓扑结构具有强大地功能，网络可以通过多级跳地方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂地网络；网络还具备自组织、自愈地功能.通过上图可以知道ZigBee网络只有一个网络协调器，但是可以有若干个路由器.协调器负责整个网络地建网，同时它也可作为与其它类型网络地通讯节点，即作为网关存在.构成协调器和路由器地必须是全功能器件（FFD），构成终端设备地可以是全功能器件(FFD)，也可以是简化功能器件（RFD）.6、ZigBee地技术优势●数据传输速率低：10KB/秒～250KB/秒，专注与低传输应用.●功耗低：在低功耗模式下，两节普通5号电池可以使用6～24个月.●成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本.●网络容量大：网络可容纳65000个设备.●时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms.●网络自组织、自愈能力强，通信可靠.数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES－128加密算法，各个应用可灵活确定其安全属性.●工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照频段.7、ZigBee应用条件●低功耗●低成本●较低地报文吞吐率●需要支持大型网络节点地数量级●需要可选择地安全等级●需要多方面地较负责地网络拓扑结构应用●要求高地网络自组织、自恢复能力三、系统设计原则本系统是针对控制大规模农业灌溉地数据传输而设计.整个系统地设计将遵循以下几个原则：A、系统必须具有很高地可靠性.B、系统地传感器网络必须具有自组织和自愈功能，而且能够支撑大规模网络地拓扑结构.C 、系统必须具有较低地功耗以适应野外无电源供应地情况.D 、由于传感器网络地规模较大，所以系统单个节点地成本必须较低.E 、系统传输地信息必须得到安全保护，每个节点和每个局域网络都必须有一个唯一识别.结合微波传输距离远、带宽大地优势和ZigBee 传感器地网络自组网可靠性高、成本低、可大规模组网地优势实现远距离地遥测遥控传感器网络.四、系统组成1、系统架构a 、 系统架构图ZigBee 终端设备中继器协调器本系统设计采用ZigBee 网状网络(MESH)作为基本网络拓扑结构，采用该拓扑结构可以使ZigBee 网络地自组网、自愈等网络特性得到最大地发挥，从而提高整个网络地稳定性和可靠性.中心控制站b、主要部分说明ZigBee协调器：该设备地设备类型为ZigBee完全设备（FFD）.该设备在一个ZigBee局域网内只能有一个，其作用为管理整个ZigBee局域网络地运行.ZigBee中继器：该设备地设备类型为ZigBee完全设备（FFD）.该设备在各个ZigBee节点之间起到路由和信息接力地作用.ZigBee终端设备：该设备地设备类型可以是ZigBee完全设备（FFD）或ZigBee精简设备（RFD）.该设备地主要作用为接收设备控制信息、发送传感器采集信息，当该设备地设备类型为ZigBee完全设备时还可以作为ZigBee中继器使用.无线微波网桥：该设备是使用5.4GHz频段地远程数据传输设备，该设备地传输距离远（10Km以上）、带宽大（54M）、可中继.使用该设备与ZigBee无线网络相配合可以有效地弥补ZigBee无线网络地弱点，实现ZigBee无线传感器网络数据地远距离高效传输.视频监控设备：该设备地作用是使各个分控制站实现远程地视频控制管理.可以通过远程地视频信息实时地了解到各个分站控制室地运行情况.c、架构说明系统地可靠性实现：利用ZigBee技术可以实现自组网、网络自愈地功能，协调器、各个中继器、各个采用ZigBee完全设备地终端设备之间可以实现一个高可靠性地短距离无线局域网络.除了协调器之外地任何一个节点出现故障，与之相连接地其他节点就会自动地寻找最近地连接节点连接从而恢复网络地整体连接实现网络地自愈合.这样地设计在野外严酷地环境下保障了系统长时间稳定运行地需要，极大地提高了系统地可靠性.系统低功耗地实现：ZigBee技术允许每个节点在没有数据传输地情况下处于休眠状态，在休眠状态下地电流消耗只有几十毫安.加之ZigBee本身地低传输速率低功耗地特点，可以使整个系统地功耗降低.低成本地实现：本公司地ZigBee传输模块使用了无线传输多级放大技术和DSSS直列扩频技术，使得单个节点地有效传输距离提高到1.6公里以上，这样就极大地减少了ZigBee网络中继节点地个数，加之ZigBee无线传输技术相比其他无线传输技术本身地低成本优势，实现了整个系统地低成本建设.各个节点地唯一识别和信息传输安全性：因为ZigBee技术基于IEEE802.15.4无线传输标准，每个节点都有唯一地MAC地址，可以实现每个设备地唯一识别.ZigBee技术在IEEE802.15.4无线传输标准地基础上添加了应用层，因此可以为每个模块配置一个IP地址，这样就极大地简化上层控制软件地编写工作.ZigBee技术还提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES－128加密算法对传输信息进行加密，这样实现了系统信息传输地安全性.系统地远距离传输：系统在各个局域网络地控制站内加入了基于微波传输技术地无线微波网桥，该设备是当前电信级应用地标准传输设备，传输带宽大、距离远、可中继.通过微波无线链路可以将各个ZigBee无线传感器网络地数据传输到相距很远地中心控制站内，从而实现了系统地远距离数据传输和控制.2、ZigBee模块性能和功能说明●主要芯片选择本公司ZigBee无线数据传输模块采用美国Freescale公司（原摩托罗拉半导体）地MC13213 芯片.Freescale公司是世界上5大芯片厂商之一，其工业级芯片性能稳定可靠.该型号地ZigBee芯片具有4K RAM和60K Flash存储体，支持IEEE802.15.4地完全标准，工作温度在－40℃～80℃，是目前实现ZigBee应用地最稳定地工业级芯片.模块主要性能和功能A、模块性能参数B、模块功能模块采用标准设计，可以在模块外围定制添加各种功能模块，针对农业灌溉系统可以添加1个9V 20mA地DO接口，4个数字量输入接口（DI）,4个模拟量输入接口（AI）.通过以上接口实现对传感器数据地采集转换和对灌溉阀门地开启关闭控制.针对客户地要求，本公司可以定制各种不同功能地模块和相应地软件以实现客户地应用目标.3、关于系统地故障处理设计系统由于采用工业级设计，出现故障地几率较低.ZigBee网络本身地高可靠性和网络地自愈性特点决定了系统网络地低故障率.一旦出现故障，由于数据传输部分采用模块化设计，只需更换模块插件地便可以轻松排除故障.五、系统运行原理1、数据上传过程●数据采集前端前端地传感器将采集到地数据以数字量或模拟量地方式输入到本公司模块地8个输入端口，模块上地模数转换器和微处理器会对这些输入进行处理，然后将数据封装成ZigBee协议需要地网络传输包.●传感器网络当数据采集前端将数据封装成数据包后，模块将使用ZigBee网络提供地无线通道进行传输.传输过程采用多级跳转地方式，即数据将通过传感器网络内地中继节点自动计算最短路由，然后通过信息接力地方式将数据传输到分控制站地无线微波网桥.●微波传输网络微波网桥在接收到传感器网络传来地数据后将数据通过微波远传到中心控制站交由中心控制站内地综合控制软件完成数据地显示和处理.同时分控制站内地视频监控数据也可以通过微波网络传输到中心控制站地监控中心.至此传感器数据地上传工作完成.2、控制下发过程控制地下发过程与上传过程为一个逆过程.控制数据从中心控制站通过微波网络传输到各个分控制站，然后通过传感器网络传输到需要控制地模块，模块收到控制信息后通过DO接口向灌溉阀门发送电脉冲控制阀门地关闭或开启.六、系统地扩展1、基于ZigBee地定位系统由于ZigBee系统地自动路由功能，所有进入ZigBee局域网地ZigBee 终端都会自动地连接入ZigBee网络.因此只要工作人员持ZigBee设备进入传感器网络范围，那么通过无线网络地定位测定就可以测定该人员地位置，从而实现定位功能.该定位功能比GPS地定位更精确，还能在定位信息中附带更多地信息.2、基于ZigBee地实时信息传输系统当农场工作人员进入传感器网络范围，就可以使用加装了ZigBee模块地手持PDA设备给处于整个网络内地其他工作人员发送信息，在没有手机基站地地域实现信息地沟通.同时如果该手持设备地地址获得了系统控制地授权，也可以通过手持设备对传感器网络内地设备进行控制，方便了现场维修.七、小结ZigBee作为一种新兴地近距离、低复杂度、低功耗、低数据率、低成本地无线网络技术，有效弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场地空缺.其成功地关键在于丰富而便捷地应用，而不是技术本身.我们有理由相信在不远地将来，将有越来越多地带有ZigBee功能地设备进入我们地生活，并极大地改善我们地生活方式和体验.本公司致力于将ZigBee技术引入到农业生产领域，有效降低农业工作地劳动强度，提高农产品地产量，并最终实现农业管理地信息化.版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.版权为个人所有This article includes some parts, including text, pictures, and design. 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基于ZigBee技术的农业自动灌溉系统方案
基于ZigBee技术的农业自动灌溉系统方案一、概述为了加快农业生产的数字化和信息化的发展，提高农田灌溉中的生产效率，采用单片机技术、ZigBee以及组态等技术设计开发了一种远程灌溉监控控制系统。
该系统由监控计算机、主控制器、分控制器等组成。
分控制器由传感器、电源模块、太阳能电池板、电磁阀组成，通过传感器把现场的池块温度、土壤含水率、池块水位采集回来，将数据打包后通过GPRS发送到监控终端的上位机;上位机软件接收并处理数据，根据相应的预设参数和采集回来的参数，发送相应的命令给现场。
该系统能够控制电磁阀的动作，连续运行未发生故障，可实现无人值守的远程灌溉监控。
现在的农业灌溉都是采用喷灌、滴灌、微灌等技术方法，需要手动对监控现场的情况进行控制，而且需要另外的网络构建与布线，成本较高。
随着经济社会的发展，需要一种自动、科学的灌溉系统来控制灌溉。
为此设计一种基于ZigBee和STC12C5A60S2的自动灌溉系统，在监控中心通过上位机可以看到现场的数据，同时会根据农业各个生长期的需水情况，自动发送命令控制电磁阀的动作。
综合来看，该系统成本低，与传统的控制系统相比更加智能。
2、需求分析目前，国内大部分微灌系统都是采用有线方式来采集和传递墒情信息。
这种方式不仅构建起来现场布线麻烦，而且管理维护也不方便、组网方式也不灵活，并且农田的面积大的话，布线费用的造价也比无线的方式昂贵。
另有提出用GSM/GPRS，CDMA等无线通信模块来传递信息，但GSM/GPRS无线通信模块价格比较高，使用要收费，且需要借助于公用通信网，考虑到农场均在偏远地带，多处接收不到信号，可行性不大，还有的提出了点对点的近距离无线通信模块，其组网性能不佳，也不能大规模组网。
本系统运用目前发展迅猛的新通信技术-ZigBee，再加上原有的IP modem合并成为带GPRS的ZigBee无线通讯产品，只需汇聚点借助公用通信网的支撑，低功耗，分布面积广，在作物种植区中组网便捷，且建网成本低，适合用在微灌测控系统中，用来完成墒情信息的采集和传递，以及控制电磁阀动作，从而完成整个微灌控制的过程。
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技术的农田节水灌溉系统_马继伟
基于Z i gBee技术的农田节水灌溉系统马继伟1,马纪梅2,伦翠芬1,林红举1,刘士光1(1.河北科技师范学院机电系,河北秦皇岛 066600;2.河北工业大学电气工程学院,天津 300130)摘 要:结合我国的农业现状,介绍了基于Z igbee技术的农田节水灌溉系统及其实现方法和应用前景。
Z i gbee 是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议,系统采用以CC2430芯片为核心的无线数字通信模块,实现对农田灌溉进行无线监测与控制。
系统利用工控机与第一层网络协调器进行有线通信,实现了对整个网络运行的集中监控和数据信息的存储。
关键词:农田;节水灌溉;监测控制网络;Z igBee技术中图分类号:S275;TN919.72; 文献标识码:A文章编号:1003-188X(2009)06-0076-040 引言现在全球淡水资源紧张,我国很多地方农田和生活用水紧张的情况已经相当严重。
本文以无线数字通信模块为基础,研究基于无线数字通信的灌溉机井计算机集中监控系统,实现对灌溉机井的无线监测与控制,并对用水量、用电量进行反馈和统计,为更好地进行田间管理提供技术支撑,以提高水资源利用率,促进农业生产良性循环。
系统基于Z i g Bee低速率控制网络设计的标准无线网络协议,采用CC2430芯片实现了无线传感器网络的监测与控制,具有功耗低、成本低和工作频段灵活等技术特点,解决了农田灌溉的覆盖区域大、使用有线监控网络成本高和维护困难等问题。
上位机采用工控机负责系统的总控与管理,实现了集中收集信息、显示、报警和控制。
1 ZigBee的技术特性Z i g Bee即I EEE802.15.4技术标准,致力于实现一种适用于固定、便携或移动设备使用的低复杂度、低成本、低功耗和低速率的短距离双向无线通信协议。
完整协议的Zi g B ee模块具有自动路由和自组网功能,ZigBee终端节点可自动接入ZigBee网络。
多个星型网络又可组成M esh自组织网络,扩大了网络覆盖范围,方便网络扩容。
基于zigbee无线传感网络的自动灌溉控制系统设计
基于zigbee无线传感网络的自动灌溉控制系统设计韩新风【摘要】随着水资源的日趋紧张,对灌溉系统节水的要求越来越高,笔者设计了基于zigbee无线传感网络自动灌溉控制系统.系统由硬件电路和软件两部分组成,其中硬件电路由协调器和若干个传感器测量节点组成.协调器模块主要完成组网、接收传感器测量节点的数据,并与上位机进行通信,发送控制命令给传感器测量节点;zigbee 传感器测量节点负责湿度的测量与灌溉水泵的控制,并上传数据至协调器,接收协调器发送的命令.系统软件分为上位机软件和下位机软件,上位机软件采用LabVIEW 软件编写,下位机软件基于zigbee协议栈进行编写.实验结果表明,系统的设计方案可行,能够实时采集土壤湿度信息并控制水泵开关进行灌溉,上位机软件能够方便有效对自动灌溉控制系统进行实时监测.【期刊名称】《绵阳师范学院学报》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】7页(P23-29)【关键词】无线网络;自动灌溉;Zigbee;LabVIEW;湿度【作者】韩新风【作者单位】安徽科技学院电气与电子工程学院,安徽凤阳 233100【正文语种】中文【中图分类】TP274+.50 引言随着水资源的日趋紧张，对灌溉系统节水的要求越来越高.为了保证植物正常生长所需的水分，有效利用淡水资源，按需灌溉的要求迫在眉睫.借助于土壤湿度传感器，进行湿度测量，当湿度低于预设值时，启动灌溉水泵进行灌溉.为了避免因为单个土壤湿度测量点可能造成的测量误差，可以进行多点湿度测量，形成土壤湿度测量与控制的无线传感网络.无线局域传感网络常用技术有zigbee、蓝牙和wifi.其中zigbee技术特点是传播距离近、低功耗(可采用电池供电)、低成本、低数据速率、可自组网、协议简单.蓝牙具有功耗低且传输速率快、稳定性好，但数据传输的大小受限，设备连接数量少.wifi具有传播距离远，高速率，但高功耗，高成本.土壤湿度测量与控制灌溉系统的无线传感网络对数据传输速率要求低，由于多点湿度测量各点分布范围广，要求设备功耗低(测量点可用电池供电)，因此zigbee技术是最适于构建灌溉系统的无线网络技术.CC2530是TI公司推出的一款支持zigbee技术，带有51单片机内核的芯片[1].它集成了一个高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8KB的RAM，256KB 的闪存，以及其他强大的支持功能和外设，外设包括2个USART，12位ADC和21个通用GPIO等.TI提供了很好的zigbee协议栈以及解决方案.因此该灌溉控制系统采用CC2530来进行设计[2].1 自动灌溉控制系统的结构基于zigbee无线传感网络的自动灌溉控制系统的主要结构如图1所示，采用的是zigbee网络中常用的星型拓扑结构.图1中zigbee模块分为两类：第一类为协调器，中间的zigbee模块作为协调器节点启动，负责网络的创建，与上位PC机的通信和测量数据的上传；第二类为传感器测量节点，除协调器之外的模块作为传感器测量节点启动，负责湿度的测量与灌溉水泵的控制，并定时上传数据至协调器，接收协调器发送的命令.图1 系统结构图Fig.1 The diagram of system structure1.1 硬件电路1.1.1 zigbee协调器电路设计 zigbee协调器模块主要完成组网，接收传感器测量节点的数据，并与上位机进行通信，发送控制命令给终端等.zigbee核心模块电路即可完成上述功能，电路如图2所示.图2中主要为zigbee2530和zigbee2530的基本外围电路，主要包括电源、天线等，不再需要其他外设.该电路的设计可直接参考TI公司提供的CC2530典型应用电路.图2 zigbee核心模块电路Fig.2 The core module circuit of Zigbee1.1.2 zigbee传感器测量节点电路设计 zigbee传感器测量节点负责湿度的测量与灌溉水泵的控制，并上传数据至协调器，接收协调器发送的命令等.因此传感器测量节点不仅需要如图1所示的zigbee核心模块，还需要增加如图3所示的土壤湿度测量模块，完成湿度测量；另外还需要增加如图4所示的灌溉水泵的控制模块. 图3中的K1是YL69型土壤湿度传感器模块.YL69型土壤湿度传感器模块实物电路模块如图4所示.该传感器有两种输出方式，数字输出和模拟输出，其中AC引脚输出的模拟电压值，将AC的电压值输入电压比较器LM393的INA+引脚与参考电压(INA-)比较，可以获得数字信号(0或1)，即OUT端.参考电压(INA-)来自电路中10kΩ的滑动变阻器.在该系统的应用中，需要精确测量土壤湿度信息值，故利用模拟电压输出，将AC引脚与CC2530的P0_4引脚相连.CC2530将来自P0_4的数据与系统程序中预设的阈值比较后，控制图5所示的灌溉控制模块(IN1接CC2530的P0_5引脚)工作.当图5的IN1(即CC2530的P0_5)端为低电平时，光电耦合器U1工作，使得三极管T1由截止状态变为饱和导通状态，继电器K1的1、3端吸合，启动水泵开始工作；当图5的IN1端为高电平时，继电器K1的1、3端断开，水泵停止工作.因此，传感器测量节点电路包括图2、图3和图5. 图3 传感器测量节点的土壤湿度测量模块Fig.3 The soil moisture measurement module of sensor measuring node图4 YL69型土壤湿度传感器模块实物图Fig.4 Physical map of YL69 soil moisture sensor图5 传感器测量节点的灌溉控制模块Fig.5 Irrigation control module of sensor measuring node由CC2530的21个数字输入/输出引脚，既可以配置为通用数字I/O，也可以作为外部I/O信号连接到CC2530内部的ADC(模拟/数字转换器).因此在编程时，将P0口配置为ADC输入，即将YL69土壤湿度传感器的AC(模拟电压输出)引脚经CC2530的P0_4引脚输入其内部的ADC，转换为数字信号后，供CPU读取.2 软件设计2.1 下位机程序设计zigbee系统软件是TI公司开发的Z-Stack 协议栈为基础进行设计的[3]，Z-Stack 是利用操作系统的思想构建起来的[4]，采用的消息轮询机制[5].首先系统对硬件进行初始化，随后对协议栈的各个层进行初始化，然后进行低功耗模式.当有事件发生时，结束低功耗模式，进入终端服务程序处理事件[3].在Z-Stack协议栈中，利用AF_DataRequest( ) 函数完成数据无线发送(例如：协调器发送命令到传感器端点或者传感器端点将数据发送至协调器).当收到信息时(例如：协调器接收来自传感器端点的数据或者传感器端点接收来自协调器的命令)，在Z-Stack中接收到信息后将自动触发SYS_EVENT_MSG事件下的AF_INCOMING_MSG_CMD[1].系统会调用函数SampleApp_MessageMSGCB (MSGPK) 去处理.该函数会根据收到信息的不同而进行不同的处理.2.1.1 zigbee 协调器程序设计协调器上电后，组建网络至成功，然后检测网络中上传至协调器的数据，接收数据并显示；等待上位机查询命令，对命令进行解析，将最新数据包上传至上位机.协调器程序流程图如图6所示.2.1.2 zigbee传感器测量节点程序设计传感器测量节点上电后，加入协调器组建的网络，采集传感器数据，并将定时将数据上传至协调器；接收协调器的命令，对进行解析，并执行相关命令.传感器测量节点流程图如图7所示.当系统的湿度阈值为单一值时，如设为80，当湿度值低于80时，会启动水泵进行灌溉，当灌溉后湿度值会很快增大到大于80，水泵停止工作，这将会导致水泵工作状态不稳定.因此在进行传感器端点程序设计时，为了保证水泵状态的稳定，设置了两个湿度阈值(上限值90和下限值80)，当湿度值高于上限值90时，灌溉水泵不工作；当湿度值低于下限值80时，启动灌溉水泵工作，土壤湿度值会随着灌溉的进行而增大，直至湿度值升高到高于90时，水泵停止工作；随着土壤水分的蒸发，湿度值会减小，当湿度值低于80时，会再次启动灌溉水泵工作.利用这种迟滞特性，保证了灌溉水泵工作的稳定性，且保证土壤的湿度值保持在80～90之间.系统具体的湿度阈值可以根据不同植物生长的需求，进行修改.上位机程序的完整设计过程在笔者另一篇文章[6]中进行具体说明.图6 协调器程序流程图Fig.6 Flow chart of coordinator program图7 传感器测量节点流程图Fig.7 Flow chart of sensor measurement node2.2 上位机程序设计上位机程序采用LabVIEW进行设计.LabVIEW使用图形化编辑语言G编写程序[7]，产生的程序是框图的形式.LabVIEW软件的程序设计分为两部分，框图程序设计和前面板设计.程序框图设计的流程如8所示.系统开始运行，首先对串口进行初始化.然后通过串口发送命令，要求协调器上传1号传感器测量节点的测量数据)，延时500 ms后(由于串口数据传输速率低，故需要延时.)读取串口数据(此时串口的数据为1号传感器测量节点的数据，如果未经过延时直接读取口，则读取的将是串口缓冲器中原有的数据)，将数据在前面板上显示出来；然后，循环写串口命令，延时，读串口.完成对所有传感器测量节点数据的读取.设计的程序框图如图9所示.该设计主要使用LabVIEW软件的循环结构、层叠式顺序结构和条件结构的函数，来完成对所有传感器传感器测量节点的数据的循环读取并实时显示.前面板设计如图10所示.前面板采用LabVIEW软件的波形图表控件来显示湿度值随时间的变化，仪器显示控件、数值显示控件显示当前土壤湿度测量值，布尔显示控件(控件/新式/布尔/圆形指示灯)显示对应测量端点的水泵开关状态[8].3 实验结果在实验前，把串口数据线连接好，确定端口号，启动程序运行.实验测量结果如图10所示，可见，自动灌溉控制系统的相关数据都可以通过上位机的程序界面显示出来.其中图10中图表显示土壤湿度随时间的变化，指针式仪表和数值分别显示当前湿度值，下部的指示灯指示灌溉水泵的开关状态.图8 上位机程序流程图Fig.8 Flow chart of upper computer program图9 上位机设计框图Fig.9 Design block diagram of upper computer图10 上位机前面板运行结果Fig.10 Operation result of front panel of upper computer4 结论该系统是软件基于zigbee协议栈，硬件电路采用TI公司的CC2530射频芯片，搭建了传感器网络.实验结果表明，该系统实现了对土壤湿度数据的采集和控制灌溉水泵的开关，以确保土壤湿度满足植物生长的需要.参考文献:【相关文献】[1] 葛广英,葛菁,赵云龙.zigbee原理、实践与综合应用[M].北京:清华大学出版社,2015:25-90.[2] 姜仲,刘丹.zigbee技术与实训教程-基于CC2530的无线传感网技术[M].北京:清华大学出版社,2014:165-251.[3] 杨柳,毛志怀,蒋志杰,等.基于无线传输的粮仓温湿度远程监测系统[J].农业工程学报,2012,28(4):155-159.[4] 吕焰尧.基于构件思想的zigbee协议栈研究与设计[D].苏州：苏州大学,2009:23-28.[5] 刘江沙,雷伟,尹酉.基于CC2430的串口无线模块的设计[J].国外电子元器件,2007(4):47-50.[6] 韩新风,高智中.基于Z-Stack协议栈的ZigBee应用系统设计[J].长春师范大学学报,2018,37(8):38-41.[7] 李江全,任玲.LabVIEW虚拟仪器从入门到测控应用130例[M].北京：电子工业出版社，2013:289-315.[8] 蔺佳哲,王茜,荣鹏辉.基于LabVIEW和zigbee的危险品库房智能监测系统的设计与实现[J].江苏师范大学学报(自然科学版),2017,35(2):58-61.。
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储器（ＳＲＡＭ，可外扩到６４ ＫＢ）和４ ＫＢ的Ｅ２ＰＲＯＭ。此外，它还 缓冲区为空，ＦＩＦＯ引脚输出低电平。ＦＩＦＯＰ引脚在接收ＦＩＦＯ
有８个ｌＯ位ＡＤＣ通道，２个８位和２个１６位硬件定时／计数 缓冲区的数据超过某个临界值时或者在ＣＣ２４２０接收到一个完
器，并可在多种不同的模式下工作。８个ＰＷＭ通道、可编程看 整的帧以后输出高电平。临界值可以通过ＣＣ２４２０的寄存器设
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总线接口。Ｊ１ｒＡＧ口为开发和调试提供了方便的接口。更值得 有效。在ＣＣ２４２０进入接收状态至少８个符号（ｓｙｍｂ０１）周期后，
一提的是，除了正常操作模式外，它还具有６种不同等级的低能 才会在ＣＣＡ引脚输出有效的信道状态信息。
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图３ ＦＦＤ测试基站硬件图
万方数据
基于ＺｉｇＢｅｅ技术的农田自动节水灌溉系统
·９７－
用的８位微控制器来说，它具有更加丰富的资源，并且能耗极
ＦＩＦＯ和ＦＩＦＯＰ引脚标识接收ＦＩＦＯ缓冲区的状态。如果接
低。它具有片内１２８ ＫＢ的程序存储器（Ｆｈｓｈ），４ ＫＢ的数据存 收ＦＩＦＯ缓冲区有数据，ＦＩＦＯ引脚输出高电平；如果接收ＦＩＦＯ
设计思想：使用成对的ＺｉｇＢｅｅ收发器来实现无线信号的传 输。单片机对信息进行中转处理，计算机对整个系统实现监测 和控制。ＺｉｇＢｅｅ自动灌溉系统示意图如图１所示。
２．２系统测试基站和子站的设计
图１ ＺｉｇＢｅｅ自动灌溉系统示意图 理器接收数据，然后就开始接收，数据经过处理后，处理器，ＺｉｇＢｅｅ收发器 中心。测试基站也可以接收监控中心传来的控制信号，然后通
以推动该技术的进一步发展和应用。采用直接序列扩频 （ＤＳＳＳ）技术，主要工作在无需注册的２．４ ＧＨｚ频段。当前比较 流行的几种无线技术的特点如表１所示。
襄ｌ 几种无线技术特点的比较
由表中可以看出ＺｉｇＢｅｅ的主要特点：低功耗；成本低；时延 短；网络容量大；安全可靠。尤其ＺｉｇＢｅｅ的低功耗是其他无线 设备望尘莫及的，因为ＺｉｇＢｅｅ的传输速率低，发射功率仅为Ｉ ｍＷ，而且采用了休眠模式，功耗低。据估计，ＺｉｇＢｅｅ设备仅靠两 节５号电池就可以维持长达６个月到２年左右的使用时间。 １．２ ＺｉｇＢｅｅ通信协议框架及其网络拓扑
耗操作模式，在每种低能耗模式下具有不同的能耗。因此该微
ＳＰＩ接口由ＣＳＮ，ＳＩ，ＳＯ和ＳＣＬＫ ４个引脚构成。处理器通
处理器非常适合于ＺｉｇＢｅｅ无线通信节点这种需要低能耗的应 用场合。
过ＳＰＩ接口访问ＣＣ２４２０内部寄存器和存储区。在访问过程中， ＣＣ２４２０是ＳＰＩ接口的从设备，接收来自处理器的时钟信号和片
２系统设计与实现
２．１系统组成 系统中以测试基站为单位进行设计安装，每个基站由若干
传感器节点和中继节点组成。网络拓扑采用混合网，每个传感
器子节点组成一个星形网，都分配一个核心节点，核心节点组成 对等网，它们之间互相可以进行无线通信。传感器子节点由简 化功能器件担任，主要完成对土壤的水分、温度等参数的采集处 理，将数据发送给所在星形网的核心节点。核心节点由全功能 器件担任，用来接收子节点采集的数据，最终所有的数据会汇集 到监控中心的采集设备。采集设备具有较强的处理能力和内 存，负责接收传感器的上传数据，经判断处理后传送给传感器或 远方更高一级监控设备。系统中网络的形成和维护都是通过设 备之间的通信而自动实现，不需要人工来干预网络。
１ ＺｉｇＢｅｅ技术介绍
１．１ ＺｉｇＢｅｅ的由来和特点 ２００１年８月，飞利浦、三菱、摩托罗拉和Ｉｎｖｅｎｓｙｓ等ＺｉｇＢｅｅ
的主要支持者组成了一个非营利性质的联盟——ｚｉｇＢｅｅ联盟，
收稿日期：２００７—０７—１７ 作者简介：刘涛（１９ｒ７ｌ一）．女，甘肃武威人，副教授，主要研究方向为测试 计量仪器与仪表、机械设计制造及其自动化；赵计生（１９８０一），男，山西 忻州人，硕士研究生。主要研究方向为单片机应用及自动化、测试计量技 术及仪嚣应用。
Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｚｉｇ，Ｂｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｒｍｌａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｓａｖｅ ｗａｔｅｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗａｔｅｒ－ｓａｖｉｎｇ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ；ｍｏｎｉｔｏｒ；ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ
ＺｉｇＢｅｅ协议的整体框架包括物理层、ＭＡＣ层、数据链接层、 网络层和应用层。其中物理层和ＭＡＣ层是由ＩＥＥＥ制定，而网 络层及应用设备层是由ＺｉｇＢｅｅ联盟制定的，用户只需编写自己 需求的最高层应用协议。
ＺｉｇＢｅｅ的网络拓扑结构有３种：星形网络、树形网络、混合 网络。其中星形网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通 过中心节点传输。如果用通信模块构造星形网络，只需要一个 模块被配置成中心节点，其他模块可以配置成终端节点。在 Ｚｉｇ，Ｂｅｅ的网络中，支持全功能设备（ＦＦＤ）和精简功能设备
等。
和７４ＨＣ３７３来扩展单片机的输出口。可以增加控制口，在
ＣＣ２４２０收到物理帧的ＳＦＤ字段后，会在ＳＦＤ引脚输出高 ７４ＨＣ３７３的输出口接驱动器、光电隔离、放大电路和电磁阀…。
电平，直到接收完该帧。如果启用了地址辨识，在地址辨识失败 从而来控制供水管道的开关，完成对供水系统的控制，实现节水
后，ＳＦＤ引脚立即转为输出低电乎。
Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ
Ｗａｔｅｒ—Ｓａｖｉｎｇ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆａｒｍｌａｎｄ
‘ＬＩＵ Ｔａｏ，ＺＨＡＯ Ｊｉ－ｓｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌ址ｌｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
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监测中心根据测试子站和测试基站发回的信息，通过总线
向灌溉控制器发控制信息，灌溉控制器根据发来的数据对电磁
阀的开关进行控制，从而灌溉农田。同时灌溉控制模块也可以
向监控中心反馈灌溉设备的工作状态，如果设备有故障，监控中
心可以及时实施应急措施。
图２ ＲＦＤ测试子站结构框图 ②测试基站。由ＺｉｇＢｅｅ收发器，微处理器组成。收发器收
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ＣＣ２４２０使用ＳＦＤ、ＦＩＦＯ、ＦＩＦＯＰ和ＣＡＡ ４个引脚表示收发数据 或发送数据时都与时钟下降沿对齐Ｈ１。
的状态；而处理器通过ＳＰＩ接口与ＣＣ２４２０交换数据、发送命令
灌溉控制电路（见图４）由单片机承担控制，通过７４ＨＣｌ３８
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到来自本基站控制范围内的测试子站发来的数据时，通知微处
系统使用８位低功耗微处理器ＡＴｍｅｇａｌ２８，相对于其他通
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｗａｔｅｒ－ｓａｖｉｎｇ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｉｓ蚰ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｗａｙ ｔＯ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｌａｃｋ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｆｏｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ．
Ｔｈｅ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｔｗｏ·ｗａｙ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｈａｔ ｆｉｎｄｓ ｉｔｓ ｕｓｅ ｉｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｉｅｌｄ．
和供电电池组成。基本功能是由土壤传感器定时采集农田中土 壤的湿度和温度，然后传给微处理器，微处理器处理采集到的数
过ＺｉｇＢｅｅ收发器发向本基站控制范围内的测试子站，从而检测 测试子站的工作状态和设备状态。ＦＦＤ测试基站的硬件图见图
据，最后在处理器控制下由ＺｉｇＢｅｅ收发器通过天线，把数据发到 ３。
测试基站，由基站处理。ＲＦＤ测试子站的硬件结构如图２所示。