基于ZigBee技术的瓜田自动灌溉系统的设计

姜 彪，李荣正

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

基于ZigBee技术的瓜田自动灌溉系统的设计

姜 彪，李荣正

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

针对瓜田比较分散且覆盖范围较大，文中提出了一种基于ZigBee技术的瓜田自动灌溉系统。该系统采用分布式无线网络进行监控，通过搭载CC2530芯片的硬件电路，采集环境温度和湿度，利用远程无线ZigBee来控制现场灌溉阀门，最终实现瓜田管理的智能化。通过现场测试结果表明，该系统稳定、高效，具有良好的实用性及较大的推广价值。

自动灌溉；无线传感器网络；ZigBee；物联网；智能化

现有的瓜田灌溉系统大多通过有线通信技术设计实现，但存在着诸多弊端，如：田间布设大量的电缆，易腐蚀，且安装复杂，材料和人工成本高[1-2]。根据ZigBee技术所具有的特点，由其组成的无线传感器网络覆盖面积大，自组织、自愈能力强，且功耗低、成本低，应用于大范围的瓜田区域具有很大的优势[3]，因此本文结合最新的近距离无线ZigBee技术组建无线传感器网络，实时采集瓜作物生长环境信息。以科学有效的管理方式，合理分配水资源，实现节能减排。

1 系统总体框架

该新型瓜田自动灌溉系统通过组建近距离ZigBee无线传感器网络，采集瓜田环境的温度和湿度，将采集到的温度和湿度数据通过DTU远程无线发送至互联网[4]。计算机终端接收瓜田环境温度和湿度数据，通过比较分析预设值，判断是否需要灌溉，形成相应的指令返回至DTU。DTU将指令传送至现场微处理器，现场微处理器根据接收到的指令执行相应的程序，从而实现瓜田的自动灌溉。本系统主要由数据采集模块、现场控制单元、远程无线通信模块、远程监控单元、供电管理单元组成，系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体框图

数据采集单元实质上是一个无线传感器网络，采用ZigBee组网技术[5-6]。ZigBee技术是一种基于 IEEE 802. 15. 4的无线通信协议[7-8]，其特点是成本低、功耗低、可靠性高、双向传输、组网灵活方便，并且还是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，网络节点容量大，理论最大可支持6万多个节点[9]，节点间可形成多种拓扑形式的网络，如图2所示为星型拓扑结构。数据采集单元采集传感器的温湿度数据，通过无线发送至现场控制单元的微处理器。

图2 ZigBee网络拓扑结构

现场控制单元实现对整个现场ZigBee网络的运行维护，汇聚所有温湿度传感器数据。将现场所有温湿度数据组帧打包发送至远程无线通信单元，同时接收远程无线通信单元传送的指令。

远程无线通信单元根据目的IP和端口号，负责由现场控制单元传送来的温湿度数据，通过运营商的远程无线网络，上传至互联网。同时将从互联网接收到的数据传送给现场控制单元，整个数据传输过程都是完全透明的。

远程监控单元负责温湿度数据的接收、存储，显示和分析[10]。供电管理单元主要为现场各个单元提供能量供应。

2 硬件设计

系统硬件设计主要包含了数据采集单元，现场控制单元，远程无线通信单元和电源管理等单元。

2.1 数据采集单元硬件设计

数据采集单元硬件电路主要由CC2530无线单片机最小系统、土壤温湿度传感器SHT10和灌溉电磁阀门以及其驱动电路组成。 CC2530射频芯片兼容ZigBee协议的近距离无线单片机芯片，CC2530与Z-Stack协议栈软件搭配使用[11]。Z-Stack的工作流程可以分为系统启动、驱动初始化、OSAL初始化和任务轮循几部分[12]，CPU为增强型8051内核，工作在单时钟指令周期[12]。除了其优越的无线功能，它还具有强大的外设。包含18个中断源，12位的A/D采样，4个定时器，一个可运行在超低功耗模式睡眠定时器，能将系统功耗降至最低，两路USART串行通信，可以配置为异步UART或者同步SPI通信模式。

单片机CC2530、温湿度传感器SHT10以及电磁阀门及其驱动电路的具体连接关系如图3所示。每个芯片电源脚应加入合适的去耦电容，以降低因外界电磁干扰引起的电源噪声[13]。

现场控制单元硬件设计基本和数据采集单元硬件设计相同，区别在于现场控制单元还要和远程无线通信单元连接。

图3 数据采集单元原理图

2.2 远程无线通信单元硬件设计

远程无线通信单元硬件主要包含了DTU和电平转换电路。DTU是一种物联网无线数据传输终端，利用公用运营商网络为用户提供无线长距离数据传输功能[14]。本系统选用H7710 DTU，5～36 V宽电压直流供电，支持睡眠功能，数据接口兼容RS232协议，可直接连接串口设备，实现数据的透明传输功能。由于DTU通信接口是标准的RS232协议电平，所以必须将微处理器的UART通信的电平转换成标准的RS232协议电平，才能和DTU实现通信。具体电路原理如图4所示。

图4 RS232电平转换电路

3 软件设计

系统软件主要包含了数据采集单元软件、现场控制单元软件和远程监控单元软件。系统软件设计始终以可靠性、实用性和可扩展性为目标，为保证整个系统可靠工作，软件中都设置了看门狗，在判断系统运行不正常之后，能够自动复位；为保证系统的数据通信可靠进行，系统制订了相关的数据通信协议，在通信不正常时能及时发现问题并尝试修复；为降低系统的功耗，采用了休眠机制，即每隔设定的时间间隔采集一次传感器数据，其余时间系统进入休眠，大幅降低了系统功耗。

3.1 数据采集单元软件设计

数据采集单元实现温度和湿度数据的采集，该单元上电以后通过微处理器访问SHT10，读取温度和湿度。等待数据采集命令，将温湿度数据上传至现场控制单元微处理器，根据现场控制器返回的指令执行对应的程序。如果是休眠命令，则直接进入休眠，降低系统功耗；如果是灌溉命令，则打开电磁阀门，开启定时器，达到灌溉时间之后再关闭阀门。

图5 数据采集单元软件流程图

3.2 现场控制单元软件设计

现场控制单元主要完成了现场数据的采集和并将数据发送至DTU，通过DTU实现数据的远程发送，同时还接收DTU返回的数据。根据返回指令执行相应操作，实现对现场的远程控制。现场无线通信总是由现场控制单元微处理器发起，通过点名方式，轮询数据采集单元的各个微处理器，这样的通信方式能有效的避免无线的通信冲突问题。

图6 现场控制单元软件流程图

4 测试结果

数据采集单元中设置3个温湿度数据采集节点，依次间隔50 m放置。将温湿度传感器埋入土壤中现场控制单元和远程无线单元,连接放置在3个温湿度数据采集节点的中心位置，组成一个星型网络[15]。打开远程监控单元的监控软件。当现场DTU和计算机终端建立连接后，通过计算机配置现场ZigBee 网络，设置系统温湿度采样间隔为1 h，运行该系统，对环境温湿度进行实际监测。连续监测3 h，测试数据如表1所示。

表1 温湿度数据测试结果

注：当天环境温度23～32 ℃,相对湿度为30 ～56%RH。

通过系统的测试结果可知，测试区域的环境土壤温度约28 ℃，土壤湿度约40%RH。测试区域环境的物理量温度和湿度 ，经过SHT10传感器转换为数字量，由CC2530微处理器读取，通过近距离无线传送到了现场控制单元CC2530微处理器，再由现场控制单元CC2530微处理器转发给DTU，DTU借助GPRS网络把数据上传至互联网，最终由接入互联网的计算机终端成功接收并显示。通过计算机终端向现场控制单元发送约定的指令，成功实现了电磁阀门的开启和关闭。

5 结束语

系统基于ZigBee技术，组建了一个的无线温湿度传感器网络，搭建了一个基本的物联网模型，实现了对瓜田环境温湿度的远程监测、瓜田灌溉阀门的开启和关闭，达到了系统预期的目标，实现了瓜田的智能化管理。同时，如果将数据采集单元中的ZigBee节点组建成更复杂的网状网络，则可以实现广阔瓜田的远程监控。该系统还具有较强的移植性，能够移植到其他需要实时监测和自动控制的行业中。

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Research and Design of Automatic Irrigation System for Melon Patch Based on ZigBee Technology

JIANG Biao，LI Rongzheng

(School of Electrical and Electronic Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

A melon field of automatic irrigation system based on ZigBee technology is proposed in this paper. The system uses a distributed wireless network monitoring, through the hardware circuit with CC2530 chips, collecting environmental temperature and humidity.Remote wireless ZigBee controls the field irrigation valve, finally realizes the intelligent management of the field. The test results show that the system is stable, efficient, high practicability and great popularization value.

automatic irrigation;wireless sensor network;ZigBee;internet of things;intelligent

2016- 12- 13

姜彪(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：计算机分布式控制及检测技术等。李荣正(1960-)，男，教授。研究方向：计算机控制及检测技术等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.022

TN926;TP273

A

1007-7820(2017)09-078-04