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基于Zigbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)設計

來源：本站　類別：技術文章　更新時間：2010-05-20　閱讀次

0 引言

隨著全球水資源供需矛盾的日益加劇，節(jié)水農業(yè)已成為當今具有世界意義的焦點問題之一，世界各國都十分重視發(fā)展節(jié)水農業(yè)。以色列、日本、美國等國家都已采用先進的節(jié)水灌溉制度。通過采用遙感、遙測監(jiān)測土壤墑情和作物生長等新技術，對灌溉區(qū)用水進行監(jiān)測預報，實現(xiàn)灌溉區(qū)水資源的動態(tài)管理，不但成功地提高了農業(yè)產量，同時也節(jié)約了大量灌溉用水。國內部分地區(qū)也采用了一定的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)，但現(xiàn)有系統(tǒng)一般采用有線組網(wǎng)形式，并通過工業(yè)總線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸(如RS232協(xié)議， RS485協(xié)議等)。這種組網(wǎng)形式存在布線困難、系統(tǒng)安裝調試周期長、使用復雜、需要專業(yè)人士進行日常維護等缺點，因而嚴重阻礙了其進一步推廣和應用。

本文提出的采用Zigbee技術并結合現(xiàn)代傳感器技術，同時通過無線組網(wǎng)的形式實現(xiàn)對土壤墑情的監(jiān)控，從而開發(fā)了基于Zigbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)。其實測定土壤墑情可以用更簡單的方法，就是直接用儀器解決，如土壤墑情監(jiān)測儀或者土壤水分溫度記錄儀來測定，只需將儀器插入土壤中，就可以測定不同深度的土壤中水分的含量，當然浙江托普儀器有限公司考慮到客戶其他方面的需要，又研發(fā)出了可測定多參數(shù)的儀器，如土壤水分溫度測試儀，多點土壤溫濕度記錄儀等。本系統(tǒng)將測控節(jié)點分布安設在灌溉區(qū)的各個地方，然后利用WSN將采集的數(shù)據(jù)傳輸給中心節(jié)點，再經過中心節(jié)點分析采集的數(shù)據(jù)，然后控制灌溉控制系統(tǒng)的狀態(tài)，從而實現(xiàn)灌溉區(qū)灌溉的“精細灌溉”。相比于有線方式的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)，基于Zigbee的土壤含水監(jiān)控系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

(1) 采用無線傳輸方式，受灌溉區(qū)環(huán)境約束小；

(2) 系統(tǒng)具有微功耗特性；

(3) 通信節(jié)點成本低；

(4) 網(wǎng)絡組建方便、快速；

(5) 網(wǎng)絡結構靈活，采用自組織方式，可動態(tài)路由轉發(fā)以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，當擴大監(jiān)控范圍時，網(wǎng)絡可以自動接納新增節(jié)點，而無需苛刻的日常維護和管理；

(6) 網(wǎng)絡容量大，覆蓋面廣；

(7) 安全性高；

(8) 通信時延短。

1 Zigbee協(xié)議簡介

Zigbee是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術。主要用于近距離無線連接。該技術依據(jù)IEEE802.15.4標準，可在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調以實現(xiàn)通信。Zigbee (由Zigbee Alliance所主導) 標準一般需定義網(wǎng)絡層(Network Layer)、安全層(Security Layer)、應用層(Application Layer)以及各種應用產品的資料(Profile)；而由國際電子電機工程協(xié)會(IEEE) 所制訂的802.15.4標準，則只定義了物理層(PHY Layer) 及媒體存取層( Media Access Control Layer； MAC Layer) 。Zigbee有數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低、網(wǎng)絡容量大、時延短、安全、有效范圍小、工作頻段靈活等特點。其主要應用領域包括工業(yè)控制、消費類電子設備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設備控制等。

2 系統(tǒng)整體設計

基于Zigbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)由大量測控節(jié)點組成，這些節(jié)點通過Zigbee技術來構成一個WSN網(wǎng)絡。這些節(jié)點按其實現(xiàn)的功能可以分為中心節(jié)點、全能節(jié)點和終端節(jié)點。其中中心節(jié)點是網(wǎng)絡的中心，它是整個WSN網(wǎng)絡組建的發(fā)起者，并對整個網(wǎng)絡進行管理和維護；全能節(jié)點在網(wǎng)絡中起路由作用，并控制灌溉閥門的開關，全能節(jié)點也具有測量能力，能測量節(jié)點所在位置的土壤含水情況。而終端節(jié)點則是整個網(wǎng)絡的末端，與全能節(jié)點和中心節(jié)點相比，終端節(jié)點只具備測量功能，而不帶電機控制電路。

一般情況下，根據(jù)灌溉工具在灌溉區(qū)的實際灌溉能力，可將灌溉區(qū)劃分為若干個小灌溉塊，這些小灌溉塊通�？捎�1個全能節(jié)點和若干個終端節(jié)點組成一個小型的星型網(wǎng)絡，然后由全能節(jié)點控制小灌溉塊的供水閥門，并由終端節(jié)點負責采集該灌溉塊各個區(qū)域的土壤墑情。各個小灌溉塊之間的全能節(jié)點、終端節(jié)點與中心互連，以構成一個WSN網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中只起路由功能的全能節(jié)點，可以保證網(wǎng)絡通信的可靠性。網(wǎng)絡組建成功后，終端節(jié)點將定時采集土壤濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)直接上傳給中心節(jié)點，同時也可以利用WSN網(wǎng)絡的多跳功能將數(shù)據(jù)傳輸給上級的全能節(jié)點，然后通過若干個全能節(jié)點地接力，將數(shù)據(jù)傳送給中心節(jié)點。中心節(jié)點對信號進行分析后，再將分析結果發(fā)送給該小灌溉塊的全能節(jié)點，并通過全能節(jié)點來控制閥門以調節(jié)灌溉用水的用量�；赯igbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設計

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計是組建WSN網(wǎng)絡的基礎，節(jié)點的硬件設計主要包括電源、數(shù)據(jù)傳輸和處理、傳感器、電機驅動等模塊。電源模塊主要用于為系統(tǒng)提供可靠和穩(wěn)定的電源，其中全能節(jié)點和終端節(jié)點的供電方式有所區(qū)別，終端節(jié)點是分布式設置在灌溉區(qū)域內的，所以，一般采用電池供電。而全能節(jié)點一般需要持續(xù)上電，且功耗比較大，所以，在設計上可采用灌溉管道控制系統(tǒng)來供電。

其次就是數(shù)據(jù)傳輸和處理模塊。本系統(tǒng)的核心控制芯片選用Jennic 公司生產的Zigbee 模塊JN5121模塊，該模塊集成了控制電路和射頻電路，并兼容2.4GHz IEEE802.15.4。同時在內部還集成了一個51核，此外，還具有96KB的RAM和64KB的ROM、4路12位ADC、2路11位DAC、2個UART接口、21路IO以及SPI和I2C總線接口等。通過調用該公司提供的API函數(shù)可實現(xiàn)對該模塊的

操作，并可組建一個具有自組織、多跳動態(tài)路由機制的無線傳感器網(wǎng)絡。傳感器模塊主要負責連接各類傳感器，包括水分傳感器，溫濕度傳感器。電機驅動模塊主要用于驅動外部的灌溉閥門的電機。通過電機驅動系統(tǒng)和JN5121模塊，便可以實時控制灌溉閥門的開關。

圖2所示是該系統(tǒng)節(jié)點的硬件框圖。

4 WSN網(wǎng)絡平臺的組建

4.1 節(jié)點初始化及入網(wǎng)流程

WSN網(wǎng)絡中各類節(jié)點的軟件流程如圖3所示。不同節(jié)點的軟件差異主要在于Zigbee協(xié)議棧的初始化。由于中心節(jié)點是網(wǎng)絡的建立者，故在整個WSN網(wǎng)絡中必須最先啟動。在初始化Zigbee協(xié)議棧時，通過調用afmeAddSimpleDesc () 函數(shù)，可在該函數(shù)中完成信道選擇并確定PAN ID，從而完成網(wǎng)絡組建。全能節(jié)點和終端節(jié)點則可在初始化Zigbee協(xié)議棧時，通過調用afmeAddSimpleDesc ()函數(shù)，將待入網(wǎng)的節(jié)點初始化為全能節(jié)點或是終端節(jié)點，然后掃描所有可用信道以尋找與自身PAN ID匹配的網(wǎng)絡。當掃描到匹配網(wǎng)絡后，待入網(wǎng)節(jié)點將向中心節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求數(shù)據(jù)幀，當接

收到中心返回的入網(wǎng)確認信號后，表明節(jié)點已入網(wǎng)成功。

4.2 BOS系統(tǒng)的任務調度機制

Basic Operating System (BOS) 是一個簡單的非搶占式任務調度系統(tǒng)，各個任務都具有相同的優(yōu)先級別，只有當一個任務運行結束后才能調用其他任務。BOS系統(tǒng)的運行流程如圖4所示。

BOS 系統(tǒng)可控制執(zhí)行Zigbee Task 和DefaultUser Task，其中Zigbee Task可作為單獨任務被執(zhí)行， APS (Application Sub-layer) 和ZDO (ZigbeeDevice Objects) 都在Zigbee Task中執(zhí)行。DefaultUser Task則在BOS系統(tǒng)初始化時被創(chuàng)建。BOS系統(tǒng)初始化時，最多可以定義兩個User Task，根據(jù)功能實現(xiàn)的需要，可以在Default User Task中定義應用程序。Hardware Peripheral Event 和MACSub-Layer等屬于隨即事件，可以中斷的形式在Optional Task中處理。

4.3 網(wǎng)絡拓撲管理

網(wǎng)絡部署后，中心節(jié)點就要建立拓撲表，并建立一個節(jié)點的父子關系。拓撲發(fā)現(xiàn)分為兩個階段，首先是骨干網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)，在此階段，中心節(jié)點將自己的網(wǎng)絡級別設置為0級節(jié)點，然后在中心節(jié)點廣播域內的所有節(jié)點均發(fā)送分組，分組包含發(fā)送節(jié)點的類型和網(wǎng)絡級別，當中心節(jié)點廣播域內的所有節(jié)點收到中心節(jié)點發(fā)送的分組后，終端節(jié)點將忽略該分組信息，全能節(jié)點則將自己的網(wǎng)絡級別設置為分組中的網(wǎng)絡級別加1，即為第1級，然后將自己的節(jié)點類型和網(wǎng)絡級別作為新的發(fā)現(xiàn)分組廣播出去。當一個節(jié)點收到第i級節(jié)點的廣播分組后，記錄發(fā)送這個廣播分組的節(jié)點的級別，并設置自己的級別為(i+1)。這個過程將一直持續(xù)下去，直到網(wǎng)絡內的每個全能節(jié)點都具有一個級別。如果節(jié)點已經建立了自己的級別，就忽略其它的級別發(fā)現(xiàn)分組。第二階段是終端節(jié)點發(fā)現(xiàn)。在此階段，各個全能節(jié)點在自己的廣播區(qū)域內向它所有的終端節(jié)點發(fā)送分組包，終端節(jié)點收到分組后，會設置自身為該全能節(jié)點的附屬節(jié)點，并將自己的網(wǎng)絡信息發(fā)送給全能節(jié)點。當終端節(jié)點建立好附屬級別后，將忽略其他全能節(jié)點發(fā)送的分組。完成網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)后，所有節(jié)點將把自身的節(jié)點類型和網(wǎng)絡級別發(fā)送給中心節(jié)點，這樣，中心節(jié)點就可以建立一張當前的網(wǎng)絡拓撲圖。此后，當有新節(jié)點加入網(wǎng)絡時，中心節(jié)點就可在網(wǎng)絡中尋找該節(jié)點并更新拓撲表，并添加節(jié)點。而當有節(jié)點刪除時，中心節(jié)點也會更新拓撲表，并刪除該節(jié)點。

4.4 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸

JN5121模塊可以采用KVP和MSG兩種數(shù)據(jù)包格式來傳輸數(shù)據(jù).本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)包格式為MSG格式，即通過afdeDataRequest () 和JZA_u8AfMsgObject() 兩個函數(shù)來實現(xiàn)節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，其中afdeDataRequest () 函數(shù)用于實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送， JZA_u8AfMsgObject () 則負責數(shù)據(jù)接收，JZA_u8AfMsgObject ( ) 函數(shù)屬于BOS 系統(tǒng)中的Zigbee Task任務，因此，在BOS運行期間，系統(tǒng)會不斷查詢任務信息。當接收到新數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)將調用JZA_u8AfMsgObject ( ) 函數(shù)，并在JZA_u8AfMsgObject () 函數(shù)中對數(shù)據(jù)包進行解析和處理。

5 系統(tǒng)功耗控制

系統(tǒng)節(jié)點的低功耗設計采用器件低功耗設計和精確的電源管理策略。其中器件低功耗設計主要是選擇低功耗器件，并在空閑時，通過軟件方式使器件進入低功耗或休眠模式。精確的電源管理策略則是采用選擇供電的方式，通過CPU來控制設備的供電時間。本系統(tǒng)設計就是采用器件低功耗設計同時，也根據(jù)節(jié)點需要完成功能，來為節(jié)點制定精確的電源管理。本系統(tǒng)設計終端節(jié)點為定時采集方式，從而大大縮短了終端節(jié)點的工作時間，使終端節(jié)點大部分時間都處于低功耗或休眠模式，本系統(tǒng)的終端節(jié)點電池的工作時間可以長達12個月到24個月。但是，全能節(jié)點必須一直處于工作狀態(tài)，因此，相對于終端節(jié)點，全能節(jié)點功耗比較高，故應盡量簡化全能節(jié)點的電路設計，并采用外部供電的方式，由灌溉控制系統(tǒng)來為其供電。

6 系統(tǒng)調試

本文給出的基于Zigbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)組裝完畢后，經測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。Zigbee無線通信系統(tǒng)的通信成功率達98. 392%，土壤水分傳感器的采集精度可達1%。通過低功耗設計，其終端節(jié)點的待機電流大約為17μA，工作電流大約為30mA。在一天24小時內，本系統(tǒng)中的節(jié)點每60分鐘采集一次數(shù)據(jù)，采集工作時間是17s（測試得到），系統(tǒng)在24小時內工作0.113h，待機23.887h，理論功耗為(0.113×30 ＋ 0.017×23.887)3.796mAH。對于一節(jié)普通的800mAH的堿性電池，其終端節(jié)點可以持續(xù)工作7個月。全能節(jié)點由灌溉區(qū)的灌溉控制系統(tǒng)供電，可以保證全能節(jié)點全天持續(xù)工作。實際上，系統(tǒng)持續(xù)工作時間取決于很多外部因素，例如：電池種類、容量和應用場合等。在實際應用中，合理配置終端節(jié)點的工作時間，也可以提高節(jié)點的工作時間。

7 結束語

本文介紹了以JN5121模塊為核心，基于Zigbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法，同時針對系統(tǒng)的節(jié)點硬件設計、網(wǎng)絡組建、數(shù)據(jù)通信和低功耗設計等問題，給出了詳細的解決方案，并成功實現(xiàn)了WSN網(wǎng)絡的組建。實驗證明，基于Zigbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)可以在很大程度上提高對農業(yè)土壤墑情的監(jiān)控能力，同時，采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，也加強了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。更有利于系統(tǒng)的推廣應用。本系統(tǒng)可實現(xiàn)無人職守工作，并可省去人工操作，從而可在真正意義上實現(xiàn)灌溉自動化。