基于ZigBee技术的农田节水灌溉系统_马继伟

基于Z i gBee技术的农田节水灌溉系统马继伟1,马纪梅2,伦翠芬1,林红举1,刘士光1(1.河北科技师范学院机电系,河北秦皇岛 066600;2.河北工业大学电气工程学院,天津 300130)摘 要:结合我国的农业现状,介绍了基于Z igbee技术的农田节水灌溉系统及其实现方法和应用前景。

Z i gbee 是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议,系统采用以CC2430芯片为核心的无线数字通信模块,实现对农田灌溉进行无线监测与控制。

系统利用工控机与第一层网络协调器进行有线通信,实现了对整个网络运行的集中监控和数据信息的存储。

关键词:农田;节水灌溉;监测控制网络;Z igBee技术中图分类号:S275;TN919.72; 文献标识码:A文章编号:1003-188X(2009)06-0076-040 引言现在全球淡水资源紧张,我国很多地方农田和生活用水紧张的情况已经相当严重。

本文以无线数字通信模块为基础,研究基于无线数字通信的灌溉机井计算机集中监控系统,实现对灌溉机井的无线监测与控制,并对用水量、用电量进行反馈和统计,为更好地进行田间管理提供技术支撑,以提高水资源利用率,促进农业生产良性循环。

系统基于Z i g Bee低速率控制网络设计的标准无线网络协议,采用CC2430芯片实现了无线传感器网络的监测与控制,具有功耗低、成本低和工作频段灵活等技术特点,解决了农田灌溉的覆盖区域大、使用有线监控网络成本高和维护困难等问题。

上位机采用工控机负责系统的总控与管理,实现了集中收集信息、显示、报警和控制。

1 ZigBee的技术特性Z i g Bee即I EEE802.15.4技术标准,致力于实现一种适用于固定、便携或移动设备使用的低复杂度、低成本、低功耗和低速率的短距离双向无线通信协议。

完整协议的Zi g B ee模块具有自动路由和自组网功能,ZigBee终端节点可自动接入ZigBee网络。

多个星型网络又可组成M esh自组织网络,扩大了网络覆盖范围,方便网络扩容。

Z i g Bee最显著的技术特性是它的低功耗和低成收稿日期:2008-09-26基金项目:国家安全生产监督管理总局课题(06-065)作者简介:马继伟(1971-),女,河北昌黎人,副教授,硕士,(E-m ail)j dxbm j w@126.co m。

本。

ZigBee模块是集成度很高的单芯片,虽然传输功率低,调制方式也很简单,但Z i g Bee在2.4GH z和I S M 频段表现出了很好的抗干扰性能,只要采取必要措施,ZigBee是可以和其他同频段系统共存的。

ZigBee 技术抗同频干扰能力非常强,对于同频干扰的抵御能力是极为重要的,因为它直接影响到设备的性能。

2 系统硬件设计2.1 测控系统层次发散链式结构I EEE802.15.4标准支持多种网络拓扑结构,包括具有层次发散链式结构和主从工作模式的测控系统的结构[1]。

根据灌溉机井集中监控系统的特点,设计了具有层次发散链式结构的系统,如图1所示。

工控机完成命令的发送、数据的接收、综合分析处理、显示和报警。

协调器1000、协调器2000 协调器n000处在工控机外围的第1层,以有线通信的方式与工控机通信,一般一个区域设置一个中枢节点。

它们中的每个节点既是通信网络中的一个节点,根据需要还可以是一个传感器节点;既负责接收命令并向下传输,又负责将其下位机上传的数据与自身的数据捆绑在一起,并以一定的格式存储在自身的存储空间,再以约定的方式上传给工控机。

以下各层协调器的工作原理及其功能都是一样的,既负责上传下达,根据需要还可以是一个传感器节点。

处在末梢的传感器节点其功能单一,只负责采集数据并上传。

网络的大小、层次的多少可以视具体情况而定。

这种结构层次清晰,易于扩展和编写软件,并以接力的方式解决了网络系统的最外层长距离与主控机通信的问题。

图1 系统硬件框图2.1.1 系统主要性能参数工作电压/V:2.0~3.6无线数据发射工作频率/GH z:2.4无线数据传输速率/kbps:<250土壤含水量测量误差/%: 2温度测量范围/ :-40~80(误差 0.5)湿度测量误差/%: 32.1.2 CC2430的特点CC2430芯片[2]沿用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。

它使用1个8位M C U(8051),128kb的flash m e m ory,8kB的RAM以及模数转换器(ADC)、几个定时器(T i m er)、AES-128协同处理器、W atchdog-ti m er等。

CC2430的无线发送器是基于直接上变频技术的,要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中,起始帧是通过硬件自动产生的。

根据I E EE 802 15.4标准,所要发送的数据流的每4位被32编码的扩频序列扩频后送到DA变换器,然后经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2 4GH z,并经放大后送到天线发射出去[3]。

2.2 仪表的硬件结构2.2.1 网络协调器硬件结构整个系统以CC2430为核心进行设计。

虽然需要检测与控制的量有土壤含水量、温度、湿度、用水量和用电量等多个参数,但是鉴于测控仪表中的微控制器的强大功能,使得无论是处于协调器位置的网络节点,还是处于网络末梢的传感器节点,其硬件结构都非常简单、可靠且实用[4]。

带有采集数据功能的协调器节点的结构框图如图2所示。

系统通过采集点的传感器进行数据采集,经CC2430内部ADC转换器和MCU处理后,由无线收发器将数据上传给网络协调器。

网络协调器在系统中除了采集数据并上传外,还向下一层发出由网络发送来的控制命令,同时将报警信息(包括参数及位置)在液晶显示器(LCD)显示出来。

图2 网络协调器结构图2.2.2 参数采集模块本系统需要检测的参数有土壤温、土壤湿度(即土壤含水量)和空气温湿度。

土壤含水量的采集是该系统中数据采集的重要组成部分,采用的是电阻法,即根据土壤导电率随其水分含量多少而异,用两根平行的被绝缘质隔离的不锈钢电极作为土壤水分含量传感器。

土壤电阻与土壤含水量关系为R=A/W(3)式中 R 两电极间土壤电阻;A 反比系数;W 土壤含水量。

在实际测量中,先将电阻值转换为电压值,再进行V/F变换。

在转换成土壤含水量的百分数时,根据当时的不同温度、不同土质做相关的补偿和修正。

对于温度的补偿是在20 条件下标定,在其他温度条件下要乘以一个系数,不同的土质取不同的标定系数(由实测求得),从而保证了测控仪器的通用性和测量准确性。

温度传感器选用了价格便宜、稳定性和线性度比较好的集成半导体温度传感器AD590。

本系统的湿度检测采用干湿球原理。

该测量原理能够解决目前空气湿度传感器普遍存在的寿命短、精度低、稳定性差、重复性差和电路复杂等问题,进一步提高产品性能。

湿度值的计算全部由CC2430内部的单片机自动完成,既解决了系统计算量和修正工作量大的问题,又保证了测量值的高精度,降低了测控仪的成本,从而提高了系统的性价比。

2.3 工控机与CC2430芯片的连接工控机的RS -232串行标准接口所传送的距离不超过15m,而在农业设施测控系统中,主控室与各设施之间通信距离一般是较远的,因此本系统为工控机设计一个RS-485串行通信卡,从而实现由RS -232串行接口标准到RS-485串行接口标准的转换。

工控机通过RS-485完成与CC2430芯片之间的命令和数据传送,实现工控机对整个系统进行监测、控制与报警,其连接框图如图3所示。

图3 工控机与网络协调器CC2430芯片的通讯结构框图3 系统软件设计由于CC2430单片机具有较大的存储空间,如果将I E EE802.15.4的协议软件放进去,大约只需要1/4存储空间,将完整Zi g B ee 无线网络协议栈放入进去,也只需要1/2空间,还有足够空间存储用户应用程序。

协议簇和应用固件常驻芯片内存来保证整个Zig Bee 模块紧凑且高效[5]。

系统硬件的层次发散链式结构决定了软件系统由网络节点的运行程序和工控机的运行程序组成。

3.1 网络节点的程序设计尽管处于不同层次和不同位置、起不同作用的协调器结构可根据需要灵活配置,由此导致应用程序有所不同,但是由软件设置成绝大部分时间(比如5s)处于节能的休眠时间,只有很小的约定的时间段(比如10m s)接受下层数据包(网络末梢节点除外)、A /D 转换、数据计算与处理、显示与报警,将自身的与下层传来的数据按约定格式传向上一层节点[6]是它们进行程序设计的相同点。

3.2 工控机的程序设计工控机以组态软件作为控制软件。

组态软件是利用系统软件提供的平台,通过快捷、简单和形象的组态工作,即可实现符合监控要求的软件功能。

装有组态王的工控机把处在外围第一层协调器1000、协调器2000 、协调器n 000看作是外部设备,在开发过程中,根据 设备配置向导 的提示,一步步完成连接过程。

在运行期间,组态王通过驱动程序和外围第一层协调器实现了数据/命令的交换,从而实现了工控机与其外围各层仪表的数据/命令的交换。

4 提高系统运行的可靠性尽管本系统一般运行于非工业环境的工业设施群中,但实践证明干扰仍然存在,主要有雷电、空中电磁波或电源污染等。

因此,采取有效的抗干扰措施是必须的,除了在硬件方面采取诸如净化电源、信号屏蔽、合理接地以及光电隔离等措施之外,在软件设计中采用了数字滤波和时间监视器(w atchdog)技术。

5 结束语有线通信和无线通信都有各自的优势和局限性,不同的无线通信网络技术适用场合和环境各异。

基于Zigbee 技术的射频系统单芯片CC2430芯片,以其低成本、低功耗等特点为智能无线农田控制系统的实现提供了有利的支持与理想的解决方案。

相信在不久的将来,Zigbee 技术会在农业领域得到广泛的应用,推动农业现代化的发展进程。

参考文献:[1] 刘士光,马继伟,石瑞珍,等.农业设施测控系统的研制[J].农业工程学报,2004,20(6):242-245.[2] 闫银发,公茂法,汤元信.基于Z igBee 技术的无线网络抄表系统设计[J].电测与仪表,2006(6):43-45.[3] 王秀梅,刘乃安.利用2.4GH z 射频芯片CC2420实现Z i gBee 无线通信设计[J].国外电子元器件,2005(3):36-38.[4] 刘士光,王建,包长春,等.温室大棚多功能测控仪的智能化自校方法[J].农业工程学报,2000,16(3):135-138.[5] T rung -K i en N guyen ,Chung -Hw an K i m ,G ook -Ju Ih m.C M OS L o w =no ise a mp lifier design opti m izati on techn i ques [J].M icrow ave T heory and T echn i ques (IEEE T ransac ti ons),2004,52(5):1433-1442.[6] 周怡頲,凌志浩,吴勤勤.Z i gBee 无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表,2005,26(6):5-9.Far m landW ater-efficient Irrigati on Syste m Base d on the ZigBee Tec hnol ogy M a Ji w e i1,M a Ji m e i2,Lun Cu ifen1,L in H ong ju1,L i u Shiguang1(1.D epart m en t of M ach i n er y and E lectron ics,H ebei N or m a l Un i v ersity o f Sc ience and Techno logy,Q i n huangdao 066600,Ch i n a;2.Depart m ent o f E lectronical Eng i n eering,H ebe iUn i v ersity of Techno logy,T i a nji n300130,Ch i n a) Abst ract:The design m ethod and application pr ospect o f the w ire less m easuring and contro lli n g net w ork syste m w hich based on the Zig B ee techno l o gy have been introduced.To rea lize the far m land w ater-efficient irrigati o n for the agricul tura l o f our countr y.ZigBee is the standard w ireless net w ork pro tocol wh ich is desi g ned for lo w rate contro l net w ork.The syste m s key part is used the CC2430w ireless dig ita l co mm unication module.The re levant co m puter soft w are have been also designed,w hich can contr o l t h e whole syste m net w o r k runn i n g and sto re the i n for m ation data.K ey w ords:far m land;w ater-efficient irrigati o n;m easuri n g and contro lli n g net w ork;ZigBee techno l o gy(上接第38页)Abst ract ID:1003-188X(2009)06-0034-EAProtei n Secondary Struct ure Pre dicti on Based on Hybri d ParallelGe netic A lgorit h mM eng X iangyan1,M eng Jun2,Ge Jiaqi1(1.Co llege of Science,NortheastA griculturalU niversity,H arb i n150030,Ch i n a; 2.N ational Research Cen ter of Soy bean Eng ineeri n g and Techniques o f China,H ar b i n150086,Ch i n a)Abst ract:Protein secondary str ucture predicti o n is an i m portant content o f post geno m e pr o ject and it is t h e key step o f pro tein3D str ucture pred iction.The paper proposes prote i n secondary structure pred i c ti o n based on hybri d parallel genet ic algorith m,i n w hich effects on the behavior of any a m i n o ac i d in a pro te i n sequence caused by the ad jacent a m i n o aci d and hydrophobe are considered.On t h e basis of the fore father a l g orithm s integra ted and i m proved,the co m putational co m p l e x ity is decreased w ith one m agn itude order,and the average pred iction accuracy is about62%.K ey w ords:protei n secondary structure predicti o n;parallel genetic a l g orithm;sche m a;hydrophob ic sequence(上接第75页)Abst ract ID:1003-188X(2009)06-0073-EAEmpolderi ngM onitoring Syste m ofM ulch Trickle Irrigation for Cotton Base d on Industriall y Controlled Configurati on Soft wareZheng Y ao a,L i Jiangquan b(Sh i h eziUn i v ersity,a.Co llege of I nfor m ation Eng i n eeri n g; b.College o fM ach i n ery&E lectrica l Eng ineeri n g,Sh i h ezi 832003,Ch i n a)Abst ract:A ll k i n ds of senso r are used in m on itoring the para m eters o f so il and w eather i n co tton field,the m on itoring syste m is e m po l d ered w ith I ndustrial personal co m puter and industriall y contro lled configuration so ft w are for realizi n g data acquisiti o n of env ironm en t para m eters in cotton field and actua lizing au to m atic contr o lli n g ofm ulch trickle irri g ati o n based on cotton w ater requ ire m ent la w.the syste m pr ov i d es scientific and reasonable irri g ation project for co tton gro w th,acco m plish i n g the ai m o f reduc i n g w orking i n tensity and i m pr ov i n g efficiency of co tton produc i n g.The syste m is succinct and w ork is re liable and it is used the m on ito ri n g syste m of mu lch trickle irrigation for cotton fi e l d successfully.K ey w ords:m ulch trickle irrigation for cotton;m onitori n g;I PC;configuration soft w are。