基于ZigBee?GPRS的土壤墒情检测系统设计

胡小俊　赵济景

摘 要： 随着现代无线通讯技术的发展和普及，无线传感器网络的应用逐渐成熟。在此利用ZigBee 组成的无线传感器网络和GPRS 无线通信技术构成大范围远程温湿度数据采集系统，进行了硬件和软件的相关设计，并仿真验证其合理性和可实现性。该设计可以实现土壤墒情的自动检测和智能化节水灌溉，有利于促进农业现代化的发展。

关键词： GPRS； 土壤墒情检测； 无线传感器网络； 硬件系统

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0059?03

0 引 言

水资源是人类赖以生存的生命线，是经济发展和社会进步的重要物质基础，节约用水，既是关系人口、资源、环境可持续发展的长远战略，也是当前经济和社会发展的一项紧迫任务[1]。我国用于农业灌溉的用水量占总用水量的75%，但其利用率只有45%，因此提高农业灌溉用水率有助于缓解水资源紧缺。此外，农业经营模式大型化、集约化的现代农业发展趋势为推广全面、统一、大型的自动化灌溉系统提供了必要条件，因此本文提出一种可以实时检测、统计土壤墒情信息各项指标并进行智能化灌溉的远程土壤墒情检测系统[2]。

1 系统总体设计方案

1.1 采用ZigBee无线传感器网络加GPRS的组网方式

根据文献[3?4]中对灌溉控制系统控制模式优劣的总结，以及对农田检测对象特点的详细分析，同时考虑到现有通信方式的技术特点、可行性和成本，本文提出了由GPRS网络来传送ZigBee无线传感器网络总节点汇总的温湿度数据的传输方式。设计中采用树状网络拓扑结构和实时唤醒ZigBee无线传感器网络节点的方式，有效地减少了子节点向总节点传输数据时发生的冲突并降低了节点功耗，同时采用GPRS网络传输总结点数据的方式，不但可以降低使用GPRS传输每个节点的成本，而且使整个系统变得更加灵活、易推广[3]。

1.2 基于无线传感器网络的土壤墒情检测系统模型

本文提出的由ZigBee和GPRS组网方式的采集系统是由大量无线传感器主节点、子节点和GPRS传输模块组成的分布式信息采集系统，主节点具有与所连接子节点通信、汇聚数据、发布控制命令和通信路由的作用，子节点只有采集处理数据、接收命令和传输数据的作用[5]。系统中节点之间采用树状结构连接，子节点和路由节点的信息通过转发最终传输给总节点，再通过GPRS模块传输至网络进行处理。其无线传感器网络拓扑结构如图1所示。

系统采用IEEE 802.15.4的ZigBee通信协议及GPRS无线通信协议，依据农田墒情设定的主要检测项目包括：土壤温度及土壤湿度（以后需要时还可以检测土壤的PH值、空气的温湿度、降雨量等），系统工作流程是ZigBee子节点采集处理温湿度信息并发送给路由节点，路由节点将收集到的信息和自身采集到的温湿度信息转发给ZigBee主节点，由ZigBee主节点将数据通过GPRS网络传递给中央信息控制中心，经分析处理发布灌溉命令实施智能灌溉。系统总体框图如图2所示。

2 系统的硬件设计

系统硬件设计是组建无线传感器网络的基础，无线传感器网络节点的工作环境要求节点必须低功耗而且面积尽可能小，因此选择可以工作在多个功耗模式、工作电压为3.3 V的MSP430F149。它不仅空闲时最低功耗模式能耗极小，而且是TI公司为结合ZigBee应用而特别设计和推荐的[6]。图2为土壤墒情检测系统总体结构图。同时，为弥补MSP430F149存储空间小的不足，采用低功耗、工作电压范围大的E2PROM 存储器24C02来扩展内存，它采用I2C总线的工作方式[5]。

节点中数据的无线传输质量要求较高，能耗也相对较大，采用Chipcon 公司出品的ZigBee 专用射频芯片CC2420，其性能稳定、工作电压仅1.8 V、多种工作模式、睡眠时能耗极低、唤醒时间短、功耗低[9]。

由于土壤温湿度精确度不要求很高，系统可以适当的降低传感器的精度以节约成本，选用集成度较高和输出数字信号中方便好用的SHT10型温湿度传感器。为了保障整个系统稳定可靠的运行，供电部分必须设计合理可靠，系统所需的电源，只有+12 V和+3.3 V，分别用于电磁阀、传感器和单片机所需电源的供应，因此电源的设计比较简单，+3.3 V主要由稳压芯片构成的相关电路构成，+12 V直接采用太阳能电池板和蓄电池。此在程序运行过程中能够很好的实现电能的收支平衡。

系统中无线传感器网络节点包括主节点和子节点，子节点主要用于检测土壤墒情、智能灌溉并组建ZigBee网络，主节点除此功能之外还附带有与GPRS网络通信的GPRS模块。由上述硬件的选用及各模块的组成而设计系统子节点的硬件框图如图3所示。

3 系统软件设计

基于硬件设计，软件设计必须保证每个独立的节点能够正常的采集和处理温湿度数据并控制电磁阀的开关，再将其作为一个节点加入整个网络，从而构成ZigBee无线传感器网络完成无线通信和数据采集等[9]。图4为整个系统的设计流程图，下位机将采集的信息通过GPRS模块传输给数据服务器，由服务器上运行的控制程序通过TCP/IP数据端口监听传输的数据，通过TCP/IP协议解析获得所需的数据，再把这些数据通过上位机后台程序写到相应的数据库里面[10]。

另外，整个系统软件设计中最重要的就是传感器网络的组建，ZigBee协议栈初始化之后开始组网：首先设置网络的PAN ID、协调器的短地址并选择信道来向周围的节点发送信标帧用以寻求设备同步；其次，在子节点收到协调器广播的信标帧时得到协调器的地址和信道，通过此信息便可申请加入网络，与此同时，父节点会给它分配一个网络地址，通过以上过程，即可完成系统组网。

图4 系统软件总体结构图

4 系统调试

传感器网络是有一个主节点和多个子节点构成的，子节点正常工作是整个系统稳定的关键所在，ZigBee主节点的数据可以通过现有的GPRS网络进行传输，因此在此只需对土壤墒情检测系统的ZigBee节点进行仿真即可。

仿真中MSP430F149通过比较采集到的温湿度的漏点与标准值相比较，从而做出判断是否应该浇灌。仿真中分别选取土壤墒情中的两种状态即应该浇水和不应该浇水，给温湿度传感器设定相应的温湿度值，由运行结果分析可知，在相应的环境下，ZigBee子节点可以根据采集到的温湿度值做出判断，智能的开启或关闭电磁阀来正确控制是否进行灌溉，同时，子节点的正常工作可为系统稳定可靠运行提供有力保障。

5 结 语

本文就智能灌溉农作物方面提出了一种基于ZigBee传感器网络和GPRS的土壤墒情检测系统，可以准确检测影响土壤墒情的水分和温度，并根据土壤温湿度实现智能灌溉。主要提出了本系统的设计方案、组网方案、硬件设计和软件设计，并完成了仿真调试。实验证明，本系统可以在很大程度上提高土壤墒情检测控制能力和实现智能灌溉，同时，采用ZigBee和GPRS的无线组网方案使系统变的更加灵活，便于推广应用。

参考文献

[1] 王益祥，吴林，段俊丽.基于无线传感器网络的微灌监控系统研究[J].测控技术，2009，28（3）：64?67.

[2] 陈够喜，张永梅，王博.基于GPRS 的远程数据的无线

传输[J].中北大学学报，2006，20（3）：24?26.

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[9] 伍连明，陈世元.基于GPRS的远程数据采集模块[J].现代电子技术，2009，32（3）：25?27.

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[12] 王一能，张盛，林孝康.基于WirelessHART的分布式低功耗路由算法[J].现代电子技术，2013，36（13）：60?64.

4 系统调试

传感器网络是有一个主节点和多个子节点构成的，子节点正常工作是整个系统稳定的关键所在，ZigBee主节点的数据可以通过现有的GPRS网络进行传输，因此在此只需对土壤墒情检测系统的ZigBee节点进行仿真即可。

仿真中MSP430F149通过比较采集到的温湿度的漏点与标准值相比较，从而做出判断是否应该浇灌。仿真中分别选取土壤墒情中的两种状态即应该浇水和不应该浇水，给温湿度传感器设定相应的温湿度值，由运行结果分析可知，在相应的环境下，ZigBee子节点可以根据采集到的温湿度值做出判断，智能的开启或关闭电磁阀来正确控制是否进行灌溉，同时，子节点的正常工作可为系统稳定可靠运行提供有力保障。

5 结 语

本文就智能灌溉农作物方面提出了一种基于ZigBee传感器网络和GPRS的土壤墒情检测系统，可以准确检测影响土壤墒情的水分和温度，并根据土壤温湿度实现智能灌溉。主要提出了本系统的设计方案、组网方案、硬件设计和软件设计，并完成了仿真调试。实验证明，本系统可以在很大程度上提高土壤墒情检测控制能力和实现智能灌溉，同时，采用ZigBee和GPRS的无线组网方案使系统变的更加灵活，便于推广应用。

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4 系统调试

传感器网络是有一个主节点和多个子节点构成的，子节点正常工作是整个系统稳定的关键所在，ZigBee主节点的数据可以通过现有的GPRS网络进行传输，因此在此只需对土壤墒情检测系统的ZigBee节点进行仿真即可。

仿真中MSP430F149通过比较采集到的温湿度的漏点与标准值相比较，从而做出判断是否应该浇灌。仿真中分别选取土壤墒情中的两种状态即应该浇水和不应该浇水，给温湿度传感器设定相应的温湿度值，由运行结果分析可知，在相应的环境下，ZigBee子节点可以根据采集到的温湿度值做出判断，智能的开启或关闭电磁阀来正确控制是否进行灌溉，同时，子节点的正常工作可为系统稳定可靠运行提供有力保障。

5 结 语

本文就智能灌溉农作物方面提出了一种基于ZigBee传感器网络和GPRS的土壤墒情检测系统，可以准确检测影响土壤墒情的水分和温度，并根据土壤温湿度实现智能灌溉。主要提出了本系统的设计方案、组网方案、硬件设计和软件设计，并完成了仿真调试。实验证明，本系统可以在很大程度上提高土壤墒情检测控制能力和实现智能灌溉，同时，采用ZigBee和GPRS的无线组网方案使系统变的更加灵活，便于推广应用。

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