基于ZigBee的滴灌自动控制系统的设计-科技论文

水资源严重缺乏和水旱灾害频繁是我国的国情。目前我国水的利用率仅为45%,而水资源利用率高的国家已达70%～80%,解决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技术，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，而且对我国水资源的合理应用具有指导意义。
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,它依据IEEE802.15.4标准,在传感器之间相互协调实现无线通信。[1][2]自动节水灌溉系统利用土壤水分传感器,微处理器,和ZigBee芯片等器件,以网状埋设在灌区的各个地方,通过无线通信网路采集数据,然后控制灌溉系统的状态,从而实现灌溉的自动化。
系统总体设计
基于ZigBee的滴灌自动控制系统由ZigBee无线通信模块、湿度传感器和上位PC监控计算机，电磁阀和滴箭等构成，系统总框图如图1所示。上位机主要负责测量数据的存储、分析。ZigBee通信模块分为主机模块和从机模块,网络拓扑采用星型网络,即一个网络协调器和若干个从机终端模块。[3]与PC机相连的模块作为网络协调器,它的主要任务有两个:(1)负责组织无线网络,即自动搜寻网络中的终端节点；(2)从终端机节点取得PC机需要的数据,实现终端节点与上位机之间的通信。[4]ZigBee终端模块与湿度传感器相连,一个终端节点模块可以根据需要连接多个测湿度的探头。
系统硬件设计
传感器节点由数据采集模块(传感器、A／D转换器)、数据处理模块(微处理器、存储器)、数据传输模块(无线收发器)组成。[5]数据采集单元负责监测植物生长环境参数采集和数据转换,本设计中数据采集单元主要是土壤湿度传感器，温度传感器，光照传感器；数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；数据传输单元主要由相应的通信协议(主要是MAC协议)及低功耗、短距离的无线通信模块CC2430组成。[6]
软件设计
系统软件设计的主要任务是实现无线网络的组网，传感器工作的控制以及数据的无线收发。本系统所用的开发环境是IAREmbeddedWork-bench7.20，传感器节点软件设计的流程如图2所示。
传感器节点上电后，首先进行系统的初始化，然后选择信道并加入现有的ZigBee无线网络，休眠等待接收信号，当接收到网关节点发出的查询信号后，进行数据的采集并发送回协调器节点。设备上电后将扫描信道，加入合适的网络，加入网络后将把16位网络地址发给协调器。设备工作时将周期地轮询路由器，看是否有采集数据的命令信息，若有，则采集数据并把数据发给协调器，否则继续侦听信道。组网成功的网络拓扑显示如图3所示。
结语
本文提出了基于ZigBee的自动滴灌控制系统的设计方法，并设计开发了相应的传感器和协调器节点以及相应的软、硬件系统。实验结果表明，该系统能够实现滴灌自动控制，并且具有很好的可靠性和稳定性。随着无线传感器网路技术的推广，无线自动滴灌控制技术将会得到更广泛的应用和发展。