畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于zigbee的滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要:１</b></p><p><b>　　關(guān)鍵詞:１</b></p><p>　　Abstract:１</p><p>　　Key words:１</p><p>

2、<b>　　引 言１</b></p><p>　　1 ZigBee無線傳輸技術(shù)３</p><p>　　1.1 ZigBee技術(shù)概述３</p><p>　　1.2 ZigBee協(xié)議棧３</p><p>　　1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)４</p><p>　　1.4 ZigBee的主要芯

3、片CC2430５</p><p><b>　　2硬件實(shí)現(xiàn)５</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)概述５</b></p><p>　　2.2 ZigBee無線模塊設(shè)計(jì)６</p><p>　　2.2.1　ZigBee模塊基本結(jié)構(gòu)６</p><p>　　2.2.

4、2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)７</p><p>　　2.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)８</p><p>　　2.3 農(nóng)田灌區(qū)的設(shè)計(jì)８</p><p>　　2.4傳感器模塊設(shè)計(jì)９</p><p>　　2.4.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)９</p><p>　　2.4.2濕度傳感器模塊９</p><p>

5、;　　2.4.3溫度傳感器模塊１１</p><p>　　2.4.4光敏傳感器模塊１２</p><p>　　2.5 滴管的設(shè)計(jì)１２</p><p><b>　　3軟件實(shí)現(xiàn)１３</b></p><p>　　3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)１４</p><p>　　3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)１６&

6、lt;/p><p>　　3.2.1數(shù)據(jù)傳輸１７</p><p>　　3.2.3 數(shù)據(jù)采集１９</p><p>　　3.3 ZigBee自組網(wǎng)１９</p><p>　　4滴灌算法的研究２１</p><p>　　4.1滴灌試驗(yàn)設(shè)計(jì)２１</p><p>　　4.2滴灌灌溉制度的確定２１<

7、/p><p>　　4.3 多傳感器融合算法２２</p><p><b>　　5結(jié)語與展望２４</b></p><p><b>　　致謝２５</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)：２６</p><p>　　基于 ZigBee的滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p>

8、<p>　　農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生 史小燕</p><p><b>　　指導(dǎo)教師 汪小旵</b></p><p>　　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雙向低功耗無線通信技術(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)

9、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)研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)倪^程。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)植物土壤水分的變化,通過無線傳感器的反饋數(shù)據(jù)對(duì)植物采取有效的自動(dòng)節(jié)水滴溉措施。</p><p>　　關(guān)鍵詞: ZigBee; 無線傳感器; 自動(dòng)滴灌; 自組網(wǎng)</p><p>　　Design For Wireless Autom

10、atic Controlling System Of Drip Irrigation Based on ZigBee</p><p>　　Student major in Agricultural Electrical and automation Shi Xiaoyan</p><p>　　Tutor Wang Xiaohan</p><p>　　Abstr

11、act: 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 applicable to the fi

12、eld 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 system's network architecture, as well as the coordinat

13、or node and sensor nodes (including node join the network a</p><p>　　Key words: ZigBee; wireless sensor; automatic irrigation ; self-networking </p><p><b>　　引 言</b></p><p&

14、gt;　　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)展從長遠(yuǎn)來看很重要，一是水的問題，二是科技的問題。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)營向集約經(jīng)營轉(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高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式自動(dòng)化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對(duì)于給

15、定的量，在操作中也無法進(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]。</p><p>　　現(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。現(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國農(nóng)、林、及

16、園藝為數(shù)不多，與發(fā)達(dá)國家相比，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)法來確定每天灌溉次數(shù)和每次灌溉量，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;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。</p><p>　　我國

17、先后引進(jìn)了以色列、美國、法國、德國等國家的部分先進(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，而且不符合我國土壤的應(yīng)用特點(diǎn)。我國自己的現(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，中國研究開發(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

18、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)水灌溉已成為我國農(nóng)業(yè)乃至國民經(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。</p><p>　　發(fā)達(dá)國家發(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、法國、英國、日本、以色列等發(fā)達(dá)國家已采用了先進(jìn)的灌溉系統(tǒng)。他們采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉制

19、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，開發(fā)和制造了一系列用途廣泛，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家，目前全國農(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、澳大利亞韓國等國家和地區(qū)都已有

20、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)能通過檢測(cè)植物的莖和果實(shí)的直徑變化來決定對(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)了在家里利用電腦對(duì)灌溉過程進(jìn)行全部控制(無線、有線)的農(nóng)場(chǎng)主[3]。</p><p>　　水資源嚴(yán)重缺乏和水旱災(zāi)害頻繁是我國的國情。我國農(nóng)業(yè)

21、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,就全國范圍而言,水的利用率僅為45%,而水資源利用率高的國家已達(dá)70% ~80%,因而,解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題,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。采用傳感器來監(jiān)測(cè)土壤的墑情和農(nóng)作物的生長,實(shí)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。ZigBee于2004年底通過IEEE80

22、2. 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)據(jù)速率、低成本的無線網(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,以接力的方式通過無線傳輸將數(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,通過無線通信傳播采集數(shù)據(jù),然后控制灌溉系統(tǒng)的狀態(tài),從

23、而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉的自動(dòng)化。</p><p>　　1 ZigBee無線傳輸技術(shù)</p><p>　　1.1 ZigBee技術(shù)概述</p><p>　　ZigBee技術(shù)基于 IEEE 802. 15. 4的無線通信協(xié)議,是一種適用于自動(dòng)化系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制的無線通訊技術(shù)[5]，具有成本低、功耗低、復(fù)雜度低、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

24、、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee適用于一些簡(jiǎn)單、低成本的無線局域網(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。</p><p>　　ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾方面: </p><p>　?、偈‰?。兩節(jié)五號(hào)電池支持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。</p><p>　?、诳煽?。采用了碰撞避免機(jī)

25、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)目煽啃浴?lt;/p><p>　?、蹠r(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。</p><p>　?、芫W(wǎng)絡(luò)容量大?？芍С诌_(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　⑤安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功

26、能,加密算法采用通用的AES-128。</p><p>　　⑥高保密性。采用6 4為出廠編號(hào)并支持AES-128加密。</p><p>　　因此,ZigBee技術(shù)十分適合于組建無人無線網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　1.2 ZigBee協(xié)議棧</p><p>　　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

27、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]。用戶只需編寫自己需求的最高層應(yīng)用協(xié)議。</p><p>　　圖1 ZigBee層次結(jié)構(gòu)</p><p>　　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)。IEEE802.15.4定義了2.4GHz頻段和868

28、/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)。</p><p>　　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)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。管理服務(wù)通過MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)訪問高層

29、。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。</p><p>　　數(shù)據(jù)鏈路層：IEEE802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

30、在MAC子層的基礎(chǔ)上，給設(shè)備提供面向連接和無連接的服務(wù)。MAC子層功能包括：設(shè)備之間無線鏈路的建立、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。</p><p>　　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)點(diǎn)之間的同步，提供網(wǎng)絡(luò)的路由，保證數(shù)

31、據(jù)的完整性，使用可選的AES-128對(duì)通信加密。</p><p>　　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。</p><p>　　1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種:星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(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

32、統(tǒng),數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都通過中心節(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)類型來分,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

33、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。</p><p>　　星型結(jié)構(gòu) 樹型結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)</p><p>　　協(xié)調(diào)器 全功能器件 縮減功能器件<

34、;/p><p>　　圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　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型或網(wǎng)狀的，由路由節(jié)點(diǎn)做數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。</p><p>　　1.4 ZigBee的主要芯片CC2430</p><p>　　這個(gè)設(shè)計(jì)做實(shí)驗(yàn)選用的是成都無線龍通訊科技有限公司產(chǎn)品，其中包括

35、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 是一種無線單片機(jī), 是高度整合的系統(tǒng)級(jí)射頻收發(fā)器[7]。</p><p>　　CC2430 的主要特點(diǎn)如下:</p><p>　　1) 專門的設(shè)

36、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。</p><p>　　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、32kB(或64kB、128kB)閃存、8k SRAM多種外圍電路、8～14 的A /D 轉(zhuǎn)換器、4 個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器和 CC2420 無線芯片等全部設(shè)計(jì)成一只非常小的芯片 (48 腳, 7

37、mm ×7mm大小) , 并且內(nèi)置“看門狗”定時(shí)器[7], 真正實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的無線化、微型化。芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。</p><p>　　3) 無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這樣的新一代無線單片機(jī)具有較大的存儲(chǔ)空間。</p

38、><p>　　4) 價(jià)格低, 大量購買的價(jià)格是 2～4 美元/片。</p><p>　　無線單片機(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)大的無線通訊功能和無線網(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)。</p><p>　　圖 4　CC2430ZigBee 芯片結(jié)構(gòu)框圖</p>&

39、lt;p><b>　　2硬件實(shí)現(xiàn)</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)概述</b></p><p>　　基于 ZigBee技術(shù)的無線測(cè)溫系統(tǒng)由ZigBee無線通信模塊、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

40、撲采用星型網(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): ①負(fù)責(zé)組織無線網(wǎng)絡(luò) ,即自動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn); ②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。</p><p>　　本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滴灌控制系統(tǒng)中通過加入一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)

41、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)等問題，實(shí)現(xiàn)滴灌管理的自動(dòng)化、科學(xué)化。</p><p>　　圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖</p><p>　　2.2 ZigBee無線模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1　Z

42、igBee模塊基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　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)水流開關(guān)的電磁閥。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A／D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(無線收發(fā)器)和電源模塊(電池、DC／DC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

43、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 C協(xié)議)及低功耗、短距離的無線通信模塊CC2430組成；電源部分主要給傳感器模塊、處理模塊、無線通訊模塊供電。</p><p>　　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)

44、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觸點(diǎn)上，這樣，通過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。</p><p>　　圖6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　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)無線傳輸數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器是實(shí)現(xiàn)組

45、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。CC2431的工作電壓為 3～3.3 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；用戶通過按鍵來選擇功能菜單，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。</p><p>　　圖7 協(xié)調(diào)器

46、節(jié)點(diǎn)應(yīng)用電路圖</p><p>　　2.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　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給傳

47、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。</p><p>　　圖8 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.3 農(nóng)田灌區(qū)的設(shè)計(jì)</p><p>　　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

48、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；每行長度約15~16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。</p><p>　　管網(wǎng)分三路，每組玉米選取生長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；兩塊間的支管間距在一米以上防止相互影響，作物間距0.3米左右，一顆作物加一個(gè)滴頭，傳感器加在生長良好的植株上。在每行設(shè)置

49、2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，取2個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值來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。</p><p>　　圖9 農(nóng)田灌區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　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)開啟該

50、地塊的電磁閥進(jìn)行灌溉。灌溉過程中，若出現(xiàn)溫度過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)。</p><p>　　2.4傳感器模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　2.4.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)①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。②

51、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)。③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。④可靠的網(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。⑤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,接近于自然語言交流的習(xí)慣。因而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)中,通過采集分

52、析分布在地下無線傳感器的數(shù)據(jù),能夠準(zhǔn)確判斷植物根部土壤的水分缺失狀況,自動(dòng)控制相應(yīng)的閥門調(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。無線傳感器網(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程,降低了成本,并且基于自組織的網(wǎng)絡(luò)能夠長期穩(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)通過無線傳感器的反饋數(shù)據(jù)對(duì)植物采取有效的維護(hù)措施。</p

53、><p>　　2.4.2濕度傳感器模塊</p><p>　　濕度傳感器選用在國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)中心購買的電容式傳感器STH-01，它具有不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間等特點(diǎn)[9]。</p><p>　　圖10 濕度傳感器STH-01的連接圖</p><p>　　一般的濕度傳感器分電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品的基本形式都是

54、在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾螅淖杩?、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)。</p><p>　　表1 STH-01的主要技術(shù)指標(biāo)如下：</p><p>　　2.

55、4.3溫度傳感器模塊</p><p><b>　　圖11濕度測(cè)量電路</b></p><p>　　濕度傳感器TC77 是串聯(lián)可訪問數(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SPI 和 MICROWIRE可兼容接口完成。TC77 有一個(gè)±12 位的ADC，溫

56、度分辨率為 0.0625℃每最低有效位（LSb）（℃/LSb）。在+25°C 到+65°C 溫度范圍內(nèi)，TC77 可以精確到±1.0°C（最大值）。工作電流僅 250μA （典型值）?？刹捎?TC77 的配置寄存器來激活低功耗的關(guān)斷（Shutdown）模式，電流消耗僅為 0.1μA（典型值）。由于尺寸小、成本低、使用方便，TC77 是系統(tǒng)中溫度管理的理想選擇。 </p><p&

57、gt;　　表2 TC77的引腳功能表</p><p>　　TC77 不需要任何外接元件來測(cè)量溫度。但是，一般在VDD與VSS（地）引腳之間接一個(gè) 0.1μF到 1μF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）電源引腳的位置來為TC77提供有效的噪聲抑制功能。 </p><p>　　TC77 通過監(jiān)控模片上二極管的電壓來測(cè)量溫度。TC77 的 IC 引腳在模片

58、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有這樣有效，因?yàn)樗芰?IC 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。 </p><p>　　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

59、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。 </p><p>　　2.4.4光敏傳感器模塊</p><p>　　圖12 光敏傳感器接線圖</p><p>　　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

60、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：</p><p>　　?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；</p><p>　　?內(nèi)置發(fā)光效率校

61、正功能，降低敏感度變化由于各種光源； </p><p>　　?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。</p><p><b>　　2.5 滴管的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　目前在我國，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:①避免深層滲漏和地面流失，減少棵間蒸發(fā)，節(jié)約用水。②不致

62、使根系附近水分過濕過干，土壤通氣良好，還可結(jié)合施肥，有利作物生長。③可以全部自動(dòng)化，節(jié)省勞力，遇坡地也無需開渠，抑制雜草滋生等[13]。④可充分利用水量小的泉或淺井。其缺點(diǎn)是:投資較高，滴頭容易堵塞。</p><p>　　滴灌系統(tǒng)主要由以下組成:</p><p>　　(l)首部:首部包括水泵、過濾器和化肥罐。其作用是從水源抽水加壓(100000-3×100000Pa):施入化肥溶

63、液(化肥罐容積50～1001)，過濾雜質(zhì);最后，將水、肥輸進(jìn)干管。</p><p>　　(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3.75～100mm，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。</p><p>　　(3)滴頭:滴頭的作用在于使水流經(jīng)過微小的孔隙消能，然后成水

64、滴狀灌入土壤。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中滴管是采用本設(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。</p><p>　　系統(tǒng)毛管間距為.025m，滴灌孔距為0.lm，滴頭流速為.2sh/l。</p><p>　　圖 13 控制滴管的電路圖</p><p>　　滴管的控制電路圖圖13所示。當(dāng)CC2430的

65、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，其長開觸點(diǎn)S1接通，使電磁閥Y(Q23XD-AC220V)得電吸合。滴管的閥門打開開，開始給農(nóng)作物灌溉。</p><p><b>　　3軟件實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，傳感器工作的控制以及數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。本系統(tǒng)所用的開發(fā)環(huán)境是IAR Emb

66、edded Work-bench7.20，采用的協(xié)議棧為TI的Z-STACK[5]。系統(tǒng)將協(xié)調(diào)器通過串口RS232和上位機(jī)（PC）相連，通過人機(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，

67、以便用戶要求采集數(shù)據(jù)時(shí)依據(jù)地址表來采集每個(gè)傳感器的據(jù)。</p><p>　　系統(tǒng)的軟件由C 語言編寫, 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(Release)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

68、執(zhí)行。程序編譯以后沒有錯(cuò)誤和警告就可以下載到CC2430芯片中。</p><p>　　3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　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，則需通過標(biāo)識(shí)符進(jìn)一步判斷；如果用戶

69、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)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

70、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。</p><p>　　圖14 協(xié)調(diào)器程序流程圖</p><p>　　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 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

71、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。 </p><p>　　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。物理地址的長度限制在四個(gè)無符號(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)

72、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)連接的過程序中分配，是不受用戶干涉的。 </p><p>　　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)。</p><p>　　nwk_join.c：程序塊。 sLinkToken = 0xDEADBEEF：連接標(biāo)志。 static void smpl_send_join_reply(mr

73、fiPacket_t *frame)：加入應(yīng)答。 void saveAddress(mrfiPacket_t *frame)：AP 存放加入進(jìn)來的終端設(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.c：程序塊。 void nwk_globalsInit(void)

74、 ：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。 </p><p>　　addrt const *nwk_getMyAddress(void)：取出本機(jī)地址 返回指向地址的指針。 </p><p>　　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。 </p><p

75、>　　void nwk_setAPAddress(addr_t *addr)：設(shè)置加入到的網(wǎng)絡(luò)的地加入過程中讀回的AP的地址。 </p><p>　　addr_t const *nwk_getAPAddress(void)：取回設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的地址，即設(shè)備所在 AP 的地址。 MRFI_SetRxAddrFilter((uint8_t *)nwk_getMyAddress())：設(shè)置接收匹配地址。 </p

76、><p>　　MRFI_EnableRxAddrFilter()：打開接收地址匹配。 </p><p>　　3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　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)

77、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)偵聽信道。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的流程如圖15所示。</p><p>　　圖15 傳感器程序流程圖</p><p><b>　　3.2.1數(shù)據(jù)傳輸</b></p><p>　　ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模式分為3種

78、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)來說，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。</p><p>　　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)：</p><p>　　應(yīng)用程序通過調(diào)用aplSendMSG()函數(shù)發(fā)送消息包。</p&g

79、t;<p><b>　　此函數(shù)的定義如下:</b></p><p>　　aplSendMSG()</p><p>　　BYTE dstMode,　//目標(biāo)地址的地址模式</p><p>　　LADDR_UNION * dstADDR, //目的地址的指針</p><p>　　BYTE dstEP, //目標(biāo)

80、端點(diǎn)(直接消息方式不用)</p><p>　　BYTE cluster, //簇號(hào)(僅用于直接消息)</p><p>　　BYTE scrEP, //消息源端點(diǎn)</p><p>　　BYTE* pload, //用戶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針</p><p>　　BYTE plen, //緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)</p><p>　　BYTE

81、 tsn, //消息的事務(wù)隊(duì)列數(shù)</p><p>　　BYTE reqack //如果非0則要求確認(rèn))</p><p>　　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

82、棧就會(huì)將消息發(fā)送給目標(biāo)端點(diǎn)。</p><p>　　協(xié)議棧使用以下APL訪問函數(shù)接收數(shù)據(jù)包。</p><p>　　aplGetRxDstEp()　　返回目的端點(diǎn)</p><p>　　aplGetRxCluster()　　返回簇號(hào)</p><p>　　aplGetRxSrcEp()　　返回源端點(diǎn)</p><p>　　apl

83、GetRxSADDR()　　返回源端點(diǎn)的短地址</p><p>　　aplGetRxMsgLen()　　返回消息長度</p><p>　　aplGetRxMsgData()　　返回消息數(shù)據(jù)的指針</p><p>　　aplGetRxRSSI()　　返回收到消息的信號(hào)強(qiáng)度</p><p>　　而后用戶回調(diào)函數(shù)usrRxPacketCallbac

84、k()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。</p><p>　　3.2.3 數(shù)據(jù)采集</p><p>　　以濕度的采集為例進(jìn)行介紹。</p><p>　　從節(jié)點(diǎn)使用片內(nèi)濕度傳感器檢測(cè)土壤濕度 </p><p>　　

85、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。</p><p>　　#define SAMPLE_TEMP_SENSOR(v) \ do{ \ ADCCON2=0X3E; \ ADCCON1=0X73; \ while(!ADCCON1 & 0X80)); \ v=ADCL; \ v|=(((unsigned int)ADCH

86、)<}while(0) //濕度采集及換算函數(shù) </p><p>　　//返回值：實(shí)際的濕度數(shù)值 </p><p>　　float getTemp(void){ </p><p>　　unsigned int dacvalue; </p><p>　　float outputVolage; </p><p>

87、　　SAMPLE_TEMP_SENSOR(adcValue); adcValue>>=4; //取 12 位精度 </p><p>　　outputvoltage=adcValue * 0.61065; //換算成電壓值 </p><p>　　return((outputvoltage -779.75)/2.43 //轉(zhuǎn)換成實(shí)際濕度數(shù)值 </p><p&g

88、t;<b>　　} </b></p><p>　　3.3 ZigBee自組網(wǎng)</p><p>　　ZigBee技術(shù)所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事？舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就可以說明這個(gè)問題，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)

89、，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)。</p><p>　　ZigBee技術(shù)為什么要使用自組織網(wǎng)來通信？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)無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因?yàn)檐嚨湥缆肪S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

90、數(shù)據(jù)）仍然可以通過其他道路到達(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。</p><p>　　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 : </p><

91、;p>　　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

92、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。</p><p>　　從機(jī)節(jié)點(diǎn)上電后首先監(jiān)聽默認(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)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)

93、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)間后醒來再次采集數(shù)據(jù) ,如此循環(huán)。</p><p>　　圖16 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示</p><p>　　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。</p><p><b

94、>　　4滴灌算法的研究</b></p><p><b>　　4.1滴灌試驗(yàn)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　氣溫、光照、降雨以及不同季節(jié)的氣候狀況與農(nóng)作物的生長發(fā)育有密切的關(guān)系,植物生長的環(huán)境主要參數(shù)—溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度對(duì)植物生長發(fā)育起到重要作用。單一的傳感器不能保證采集土壤水分?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

95、傳感器、光敏傳感器同時(shí)工作來保證采集信號(hào)的全面性。</p><p>　　不同的作物，在不同的生長期對(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姷霓r(nóng)作物，生長周期短，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。因此通過對(duì)玉米生長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。</p&g

96、t;<p>　　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) </p><p>　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在一塊長×寬=15m×9m的試驗(yàn)田里把種植的玉米分為三個(gè)區(qū)，每區(qū)為15m×3m大小，成為A、B、C區(qū)。A區(qū)不灌溉，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

97、用水量。</p><p>　　最后以玉米棒重量和用水量來評(píng)估。</p><p>　　4.2滴灌灌溉制度的確定</p><p>　　土壤含水量的兩個(gè)概念：</p><p>　　(1)體積百分?jǐn)?shù)(水v%)</p><p>　　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

98、中水分容積與土壤容積的比例，容積含水量定義為:</p><p>　　水v%=（Vw/Vs) ×100%</p><p>　　其中，Vw為土樣中水的體積；Vs為土樣的總體積。</p><p>　　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(m3·m-3)。0 m3&

99、#183;m-3對(duì)應(yīng)完全干燥的土壤，純水的讀數(shù)為1 m3·m-3。</p><p><b>　　(2)相對(duì)含水量</b></p><p>　　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。</p><p>　　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

100、次灌水量或灌水深。本文采用含水率差值法來計(jì)算灌水定額:</p><p><b>　　（式4-1）</b></p><p>　　式中m滴—灌水定額(mm)；</p><p>　　—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，a=30%～40%；</p><p&g

101、t;　　P—滴灌設(shè)計(jì)土壤濕潤比，一般為70%一90%；</p><p>　　H—土壤計(jì)劃濕潤層深度(m)一般為0.20—0.30，深根蔬菜或果樹為0.30～1.00；</p><p>　　—計(jì)劃濕潤層要求的最大含水量 (v%)；</p><p>　　—計(jì)劃濕潤層的灌前平均含水量(v%)。</p><p>　　一次灌水延續(xù)時(shí)間:是指把涉及灌水定

102、額水量，在不產(chǎn)生徑流的條件下，均勻分布與保護(hù)地田間所用的灌水時(shí)間，用下式計(jì)算，</p><p><b>　?。ㄊ?-2）</b></p><p>　　式中，t—一次灌水延續(xù)時(shí)間(min)</p><p><b>　　—滴頭間距(m)</b></p><p><b>　　—毛管間距(m)，&

103、lt;/b></p><p>　　一滴頭流量(l/h)</p><p><b>　　—灌水效率</b></p><p>　　此處因選擇的作物是淺根系玉米，所以土壤計(jì)劃濕度層深度一般為0～0.6m之間，田間持水量可通過實(shí)際測(cè)量出來。</p><p>　　4.3 多傳感器融合算法</p><p>

104、;　　根據(jù)原有的研究報(bào)道，并結(jié)合南京地區(qū)的氣候條件，對(duì)玉米生長環(huán)境的較優(yōu)組合是溫度為24℃、相對(duì)濕度為80%、光照強(qiáng)度為17.2klx。</p><p>　　假設(shè)三個(gè)傳感器采集來的數(shù)據(jù)分別為X1、X2、X3，X1為相對(duì)濕度、 X2 為光照強(qiáng)度、X3為攝氏溫度。三點(diǎn)數(shù)據(jù)作信息融合處理，以融合后的數(shù)據(jù)作為控制器的輸入決策判據(jù)。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)理論中樣本均值和方差這兩個(gè)概念，研究不同時(shí)刻一致性度量序列蘊(yùn)涵的可靠性信息。由于傳感

105、器采集的數(shù)據(jù)會(huì)因局部一些條件的影響，采集到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，因此根據(jù)南京在四月到九月份的氣候，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。試驗(yàn)將溫度 T 限制在 8 ℃≤T≤39 ℃、相對(duì)濕度 H的選擇范圍是 29%≤H ≤95%、光照強(qiáng)度的限制范圍是 1.5 klx ≤I≤25.5 klx。大于或小于約束條件的數(shù)據(jù)將會(huì)被刪除。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用信息融合的方法對(duì)采集來的三個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，周期定為30分鐘。在3

106、0分鐘里對(duì)通過傳感器讀10次，對(duì)這10個(gè)數(shù)據(jù)求平均值，用平均值判斷是否需要滴灌，當(dāng)相對(duì)濕度的平均值低于65%就是需要滴灌。然后再計(jì)算滴灌的時(shí)間，其中。等于用所求平均值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值（溫度24℃、相對(duì)濕度80%、光照強(qiáng)度17.2klx）求方差。然后根據(jù)方差的結(jié)果決定滴灌的時(shí)間。</p><p>　　首先要保證計(jì)算的數(shù)據(jù)在約束的范圍內(nèi)，溫度 T 限制在 8 ℃≤T≤39 ℃、相對(duì)濕度 H的選擇范圍是 29%≤H ≤95%、

107、光照強(qiáng)度的限制范圍是 7.5 klx ≤I≤25.5 klx。</p><p>　　如式4-3所示為求濕度的平均值表達(dá)式。</p><p><b>　?。ㄊ?-3）</b></p><p>　　同理可以求出光照強(qiáng)度的平均值，溫度的平均值，式4-4為求方差的表達(dá)式。、、為比例系數(shù)，開始試驗(yàn)時(shí)設(shè)定=0.75、=0.15、=0.10。在以后的試驗(yàn)中根

108、據(jù)已有的數(shù)據(jù)還要對(duì)比例系數(shù)、、修改，以求找到最優(yōu)的比例系數(shù)。</p><p><b>　?。ㄊ?-4）</b></p><p>　　植物的生長主要是進(jìn)行光合作用，光合作用就是植物的綠色葉片利用二氧化碳和水作原料，以太陽光作動(dòng)力，借助于葉綠體制造有機(jī)物質(zhì)的過程。因此光照的強(qiáng)度是植物的生長的重要因素。不同光照強(qiáng)度下對(duì)水分的需要也不同，表4-1是進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)初次設(shè)定的在不同光