节水灌溉系统设计中ZigBee技术的应用

赵 哲

（新疆博乐塔拉蒙古自治州第五师九〇团，新疆 博乐 833409）

节水灌溉系统设计中ZigBee技术的应用

赵 哲

（新疆博乐塔拉蒙古自治州第五师九〇团，新疆 博乐 833409）

文章详细介绍了ZigBee技术的系统构成和设计理念，对节水灌溉系统设计中ZigBee技术的应用进行探讨。ZigBee技术具有成本低、功耗小、组网方便等优点，通过在灌溉系统中应用ZigBee技术，可以有效降低灌溉用水，将灌水量控制在可以促进作物增长的范围中。

节水灌溉;系统设计;ZigBee技术;应用

当前，水资源正逐渐成为一种稀缺的资源。在现代化的农业生产过程中，如何节约灌溉用水已经成为当前需要解决的一个主要问题。目前，我国智能化节水灌溉还处于发展初期，在数据通信方面还存在一定的困难，虽然一些大型农场使用GPRS模块进行交互，并取得了良好的应用效果，但是这种通信方式的推广费用和维护费用均比较高。在这种情况下，ZigBee无线传感器网络被研发出来，它不仅具有良好的节水效果，并且组网方便，施工成本低。

1 ZigBee技术概况

ZigBee技术是一种比较新型的无线网络技术，它的通讯距离比较灵活，每一个网络节点的有效距离为75m。尽管ZigBee技术通信距离有限，但是它的扩展空间比较广，它的整个系统由许许多多的无线小部分构成，数量可以达到几万个，该技术网络构建比较方便、使用比较便捷，工作质量效率非常高，但是成本投入也比较高。要想使ZigBee技术实现数据自动化输送，与造价较高的基站移动通信网络比较，ZigBee技术基站的投入仅仅是它的千分之一，前者的投入大约几百万元，而后者的投入仅是几百元而已。

ZigBee技术通信协议是一个新研发的项目，它最主要的特点就是简便，该协议又非常完整，包含的内容非常紧密，在现实应用的过程中非常简便，技术含量也比较少，处理器为64KB的RAM和8个4KB的ROM构成，这样投入的成本就是较少。该技术对ZigBee的介质访问层和物理层进行了核准定义，增加了介质访问子层的功能，这是因为网络技术里要求要有无线通道，系统发出命令以后，介质访问子层就会工作。还要解决好信道的接入问题，发生信道冲突的时候，要实施有效控制，网络所发出的信号以顿为单位，介质访问层的作用就是校对顿的精准度，假如信号发送失败，系统就会再次发送。

物理层包括了频谱为 915MHz、868 MHz和2.4GHz的三个工作频段，然而网络构建需要实现完整性，仅对介质访问层和物理层进行定义是不全面的，不但要实现自身网络节点的通信畅通，还要确保与其他设备实现有效连接，使用ZigBee技术可以很好的解决这一问题，ZigBee技术在802.15.4之上构建应用层框架和网络层［1］。

ZigBee技术与哪些设备实施通信是应用层框架的主要内容，拓展应用可以有效做好后台支持工作，部分研发技术厂商还会自己拓展ZigBee技术的部分构件。网络层是给应用层提供支持的，在通信的时候一定要有网络接入口，还包括媒体介入有效控制子层，这样可以实现操作的精准度。

网络层的主要构成部分包括管理服务和数据服务两个实体，这两个实体只是概念上的服务实体。所有的ZigBee技术节点连接的传感器都是为采集信息而服务的，同时还要承担转发信息的任务，所有的信息都是经过节点进行传输的，组网的方式有很多，例如星状、树状或者是网状。

2 系统构成

ZigBee射频单片机是智能节水灌溉体系的核心内容，它合理的使用了自动化控制技术和GPRS无线技术，采集了光照强度、湿度和温度的有效信息，借助ZigBee技术将采集的信息传输给远程终端设备，借助GPRS无线技术将信息传输到internet上，在需要的时候还可以传输给移动电话，还可以将接收的信息经过串口输送到ZigBee中进行处理［2］。电磁阀是自动化控制灌溉体系的核心部分，借助ZigBee技术实现灌溉，也可以设定条件实现灌溉，如图1所示。

图1 ZigBee智能节水灌溉体系

3 系统设计理念

3.1 设计ZigBee节点硬件

构成较小局域网的主要组成部分就是ZigBee节点，它在系统里承担着重要的作用，例如自动控制、信息交换等等，ZigBee节点包括ZigBee底板和ZigBee核心板。

（1）ZigBee底板。该底板主要包括电源和采集数据两个模块。数据采集模块包括传感器、电阻以及继电器等等，它的主要性能就是随时收集四周环境的温度和湿度、日光照射强度和电磁阀开关控制等。继电器掌控电磁阀电源开关，如图2所示。电磁阀通电以后，铁芯向上移动还会带动密封塞向上运动，这样就可以使水流顺利的流过［3］。可以使用DHT11型、HS11011型或者是DS18B20型温度传感器来搜集温度和湿度，简单的单总线通过一个IPO端口承担着DHT11型传感器和单片机之间的通信。内部温湿度可以通过传感器传递给单片机，使用校验的方法来检测传输的信息，这样可以有效的提升信息的精准度，该传感器比较节能，工作的电压为5V，最大电流值为1mA，光敏电阻组成的采集电路来实现需要的光照强度。经过对阻值的转变实现电压的供应，搜集的模拟信息转变成数字信息可以通过ZigBee的ADC实现［4］。AMS1117组成了电源模块，外接5V电源借助AMS1117 3.3稳压芯片将其转化成可以使用的3.3V;也可以外接9V的干电池经过两次有效转化使其转化成可以使用的3.3V。

图2 继电器电路示意图

（2）ZigBee核心板。它的主要性能就是处理信息和无线通信，包括PCB天线和CC2530芯片，如图3所示。CC2530芯片主要包括收发器、MCU、USART、IPO引脚以及ADC等等。该核心板工作的时候，电压为3.3V，电流的耗损在30mA以内。射频天线和ZigBee射频（RF）前端构成了无线通信系统，射频天线使用的是PCB天线，该天线成本比较低，性能较好，发射频率的有效值为2.4GHz。

图3 ZigBee核心板结构示意图

3.2 设计ZigBee节点网络

ZigBee可以使用的网络拓扑结有3种，即网状、树状和星状，该网络拓扑结构和星型的网络进行比较就会发现，它的总长度不长、投入不高，且节点容易实现有效拓展［5］。

3.3 设计ZigBee节点软件

ZigBee节点包括协调器、路由以及终端等3个节点，硬件设计的时候依据不同的需要来完成，配合软件功能来不断实现其他性能。

（1）协调器节点。主要负责电初始化，创建一个网络环境对硬件设备进行初始化，接着设置网络相关信息，是不是需要进行传输过程确定，接着传输初始化射频，最后将需要传输的信息进行编写。

（2）路由节点。它的主要性能包括传输信息、搜集与终端点一样性能的信息以及有效的执行协调器传输的命令。路由节点要对各硬件设备进行初始化处理，对定时器进行初始化，这样可以确保节点能够及时的搜集信息和传输信息;接着进行循环检测信息的接收，有效判断接收到信息是否及时、准确，依据接收到的信息来判断信息的来源，查看信息是协调器节点传输的，还是路由器转发或者是终端节点传输的，判断正确以后并制定相应的解决策略［6］，例如是执行命令还是传输信息。此外，可以设置一定的周期，定时的获取相关信息。具体情况如图4所示。

图4 路由节点流程图

（3）终端节点。主要是负责信息搜集和执行节点指令。主要流程如图5所示。

3.4 GPRS模块

ZigBee控制 GPRS模块时借助串口来实现，GPRS输送协议的时候借助TCP来实现，并将信息传输给inter-net。网络信息输送层协议指的是TCP，它的可靠性超强，还具备比较成熟的流量管理体系［7］。ZigBee控制GSM也是经过串口实现的，可以将有效的信息传输给指定的手机客户端。如果GSM接收到有用信息也会借助串口传输给ZigBee，并作出相应的解决策略。

图5 终端节点流程示意图

4 上位机的作用

该系统的核心控制体系为上位机，它是实现远程控制的核心内容，主要的性能为:对下位机实现有效控制，将监控环境的参数进行实时反馈，实现与下位机的实时沟通［8］。上位机接收信息也是经过串口实现的，依据获取的信息做有效的处理，当温度、湿度达到一定的数值以后，可以借助串口将命令传输给ZigBee节点将电磁阀断开实施灌溉，也可以使用手动的办法来下发指令实现灌溉。上位机可以通过internet获取信息并形成电子表格，这样用户就会比较直观的掌握四周环境的变化。

5 结语

综上所述，使用ZigBee无线传感技术可以在小范围内进行无线互联，不需要进行布线，施工成本低，由于无线节点安装便利、对其进行更换也很简单，具有良好的实用性。此外，使用GPRS可以将信息远程发送给手机用户，并利用互联网将数据传送到数据库，在降低成本和能耗的同时，提高灌溉水的使用率，提高农业管理水平。

［1］徐世武，王平，等．基于ZigBee节点的自组织网络设计［J］．电子测量技术，2010（10）:111-114．

［2］李祥林，胡玫，李颖．基于ZigBee的智能节水灌溉系统［J］．兰州工业高等专科学校学报，2011（03）:11-17．

［3］秦双龙，赵海峰．基于无线传感器网络的智能节水灌溉系统［J］．电气自动化，2012（03）:18-20．

［4］李继杰．节水灌溉技术和理念构建分析［J］．水利规划与设计，2015（03）:56-57．

［5］曹永生．景泰县高效节水灌溉示范项目水资源平衡分析［J］．水利规划与设计，2014（10）:121-122．

［6］李晓花．农业节水灌溉智能控制系统设计［J］．水利规划与设计，2014（03）:46-47．

［7］赵晓敏，李本怀．长春市农田水利建设及节水灌溉研究［J］．水利技术监督，2013（03）:76-77．

［8］陈臣．金沟河农业节水灌溉对流域水资源配置影响与对策［J］．水利技术监督，2012（02）:37-38．

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1008-1305（2015）06-0011-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2015.06.005

赵 哲（1977年—），男，工程师。