基于ZigBee无线传感器网络的棉田节水灌溉系统设计

2017-10-27谢振伟马蓉赵天图

江苏农业科学 2017年16期

谢振伟　马蓉　赵天图

摘要：针对新疆生产建设兵团的农田作物在少雨、高温、干燥等多种因素制约下，其农业灌溉水资源利用率普遍较低的现状，设计一套基于ZigBee无线传感器网络的节水灌溉系统。该系统采用8051微处理器作为控制器，并与各类温湿度传感器组成传感器节点，实现对棉田土壤墒情的采集，通过功放芯片CC2591与主芯片CC2530的连接，实现信息的远距离传输。设计无线通信的节点系统，在空旷地区和棉田分别进行试验测试，在棉田中有效通信距离达 825 m。试验结果表明，整个网络的平均丢包率为275%，因而系统运行稳定可靠，能够准确地采集棉田各类信息，达到节水灌溉的目的。

关键词：无线传感器网络；ZigBee；功放芯片；节水灌溉；棉田

中图分类号： S274；TP2129文献标志码：

文章编号：1002-1302（2017）16-0225-04

[HJ14mm]

收稿日期：2016-05-10

基金項目：国家“863”计划（编号：2013AA102300）。

作者简介：谢振伟（1986—），男，山东烟台人，硕士，主要从事精细农业技术系统研究。E-mail：1220942844@qqcom。

通信作者：马蓉，博士，教授，硕士生导师，主要从事精细农业技术系统研究。E-mail：lzymrhs@163com。[HJ]

新疆作为我国的一个农业大省，灌溉用水约占农业用水的90%，并且新疆地处内陆干旱区，常年降水稀少、气候干旱，造成水资源严重不足。近年来随着工农业生产和城市的快速发展，水的供需矛盾进一步加剧，同时水资源浪费现象日趋严重；因而发展高效节水型灌溉技术已成为新疆干旱区自动化农业发展的重要途径，也是缓解水资源短缺的有效措施和促进水资源持续利用的一项长期性任务。

基于ZigBee的无线网络作为一种新兴的信息处理与通信技术，凭借其成本低、可靠性好等特点，已被充分应用于自动化农业领域。北京林业大学的江挺等设计了一套基于ZigBee无线传感器网络的灌溉控制系统，目前已在北京等地区的小型农田试验地进行了安装运行，基本达到预期设计目标[3]。西北农林科技大学的谢红彪等研制了一套基于ZigBee的田间灌溉自动测控系统，该系统采用具有ZigBee技术的AT89C51模块和HM1500湿度传感器组成的传感器节点，并将其部署在棉田的各个角落，对土壤墒情信息进行采集、处理后发送到远程控制中心，使其对灌溉进行决策和控制[4]；但其通信模块的传输距离短，并不适合于新疆大型的农场。新疆石河子149团的棉田，采用SD卡的形式定时地对农田中的电磁阀进行控制，以达到灌溉的目的。上述技术系统的运用，使得干旱区不仅得不到及时的灌溉，而且造成水资源的浪费。因此，本研究在前人的基础上，设计一套基于ZigBee无线通信网络的灌溉控制系统，以实现和控制节水灌溉系统的双向通信。

1系统总体设计

灌溉系统的总体结构如图1所示：系统由ZigBee网络节点、远程服务器、上位机控制中心、基于STM32F107的ZigBee网关及基于609 G的GPRS网络构成[5]。

系统中的ZigBee无线网络采用的是网状拓扑结构，节点包括传感器节点、电磁阀控制节点、路由节点（包含在通信模块中）和网关节点。其中，网关节点由协调器充当。传感器节点与湿度检测传感器及空气温湿度传感器相连，用于定时采集棉田土壤的湿度及周围的环境参数，并将采集到的信息通过ZigBee网络传送到协调器中；协调器初始化信道、网络的IP地址，处理各个子节点的入网请求，并将数据信息经串口协议传到ZigBee网关；网关实现GPRS、上位机与无线传感器网络的连接与交互；路由节点负责节点间数据包的传送，上传传感器节点发送给协调器的数据包，处理子节点的入网请求等，通过GPRS实现数据信息的存储与管理。

2硬件系统的整体设计

21传感器选型

为实现棉田的合理精确灌溉，系统中的传感器主要需采集田间土壤的水分和空气温湿度参数。综合考虑系统设计和网络节点功耗低的要求，土壤水分检测选用Decagon公司生产的EC-5传感器。EC-5的外层能够承受较强的盐碱度，传感器电路受温度变化的影响较小，又由于其具有较高分辨率，因而便于将其掩埋在土壤的不同深度进行长时间的测量。空气温湿度测量选用DHT22数字温湿度传感器，测量的温度范围为-40～80 ℃，相对湿度范围为20%～90%，测量精度分别为<05 ℃、≤2%[5]。因此该传感器能够直接稳定地反映土壤的含水量和空气的温湿度。

22网络通信模块的设计

ZigBee无线网络的核心处理器采用TI芯片公司研制的CC2530，该芯片整合了高性能的射频收发模块、增强型8051内核处理器、静态随机存储器（static RAM，简称SRAM）和 A/D 转换接口等外设。同时CC2530具有不同的运行模式，并且模式之间的转换时间短，芯片的休眠电流仅为1 μA。为[CM（25]提高信息的通信距离，可在主芯片CC2530上搭载一款射[CM）]

频功放芯片CC2591，其输出功率高达22 dBm，理论上的最远传输距离达1 km，适用于环境复杂的农田。

23传感器节点硬件设计

传感器节点一般包括传感器模块、处理器模块、功率放大模块及能量供应模块4部分。其结构如图2所示。

24电磁阀控制节点硬件设计

电磁阀控制节点的硬件结构与传感器节点相似，其不同之处在于其设计接口上连接灌溉控制板和双稳态脉冲电磁阀（图3）。根据传感器节点采集到的土壤水分值与预先设置的阈值进行比较，实现协调器控制每个阀门的开启与闭合，进而达到灌溉目的。

25网关硬件设计

无线传感网络的网关硬件采用意法半导体（ST）公司生产的高性能MCU-STM32F103C8T6芯片。在组建微控制单元（micro controller unit，简称MCU）网关系统时，向外扩建的模块有电源模块、串口通信模块、存储模块、GPRS模块、协调器模块以及继电器模块等[8]（图4）。

系统的软件设计主要分为传感器节点程序、电磁阀控制节点和网关节点程序的设计。

31传感器节点程序设计

传感器节点应用层的程序设计主要实现网络底层的各个驱动程序调用、数据信息的定时采集、数据包的压缩并传送、数据包的接收并解析等。设计思路为节点通电后会自动加入到由协调器组建的ZigBee无线网络中，并获取属于自己的短地址；节点初始化以后将定时采集农田的数据信息，并将自身的设备号、数据包号和数据参数聚成数据包，传送给协调器，协调器接收到数据包后将其解析，若土壤的含水率比阈值高，则保持采集信息模式不变，即闭合该传感器节点检测领域内的电磁阀，否则切换到采集模式2，即打开电磁阀，同时定时监测田间数据（图5）。

32电磁阀控制节点程序设计

电磁阀控制节点应用层的程序设计主要实现底层中每个驱动程序的调用、接收并执行網关发送来的命令等任务。设计的思路为电磁阀的节点通电后，自动加入到由协调器组建的ZigBee网络中，并获取属于自身的短地址，然后将自身的设备号、数据包号以及电磁阀状态聚合成一个数据包，传送给协调器，同时等待协调器的指令，并从指令中分析出电磁阀的控制命令与休眠时间，执行电磁阀的开启或闭合并将电磁阀的状态传送到协调器中后，进入休眠状态。协调器接收并解析传来的数据包，最后将电磁阀的状态进行存储。

33网关软件程序设计

331ZigBee协调器的程序

协调器在整个网络中的主要作用是组建无线传感器网络、汇聚各个节点数据、传送控制命令，实现ZigBee无线网络与每个传感器节点和电磁阀节点的相互通信[9]。图6为协调器的程序流程。

332STM32控制器的程序

网关硬件通电后，将应用程序初始化，协调器组建无线网络，通过串口RS2302与上位机的控制中心相连接，GPRS模块使用默认的设置与远程服务器相连接。程序初始化完成后便开始监听网络，等待无线网络和以太网分别发送来的数据，并判断数据是从什么网络中传来的，若是以太网传来的命令，则需进行指令解析，调用串口模块将指令传送到微控制单元MCU[10]；若是无线网络传来的数据，则调用GPRS模块发送信息给远程终端（图7）。

34棉田滴灌系统上位机的软件设计

上位机控制中心采用高级语言C++，基于TCP/IP协议进行开发，通过串口实现与网关的通信，以实现历史数据的查看与存储、阈值设置、端口设置以及采集时间设置等任务。

35远程服务器的设计

服务器使用Visual Studio 2010，利用C语言进行开发。实现因特网与网关的通信，接收并显示每个节点的具体数据。

4系统试验

41节点通信距离测试

无线传感器网络的有效通信距离直接影响着整个网络的覆盖范围[11]。农场棉田中，植株种植面积与密度都比较大，且棉花生长高度多为05～06 m，因而节点需具有较大的发射功率，才能保证理想的通信距离。本研究分别在空旷地区和棉花田中测试节点的有效通信距离，设置的节点高度分别为03、06、12 m，设置发射功率为节点最大值21 dBm，射频功率设定在24 GHz频段。每隔5 s定时传送节点所采集的数据信息，并通过上位机来观察节点处于不同位置时，数据包能否正确传达，当能正确传达时增加收发距离。当协调器处于收发不稳定时，应用激光测距仪检测2个节点间的直线距离，重复检测多次，取其平均值，经过测试节点的高度为 12 m 时，其通信距离最远。测得节点的最大有效通信距离如表1所示。

42节点感知精度测试

感知精度是指器件获取信息的精确度，是无线传感器网络的重要性能评价指标之一[12]。利用机械式湿度计、标准水银温度计以及土壤水分测量仪在节点处同时检测湿度和温度，与EC-5和DHT22传感器在节点处的实测值进行比较。测试结果表明，节点采集的湿度误差最大为24%，平均误差为096%；温度误差最大为05 ℃，平均误差为015 ℃。图8为从2016年4月12日15：00开始，节点温度实测值与水银温度计测量值的逐时变化。

43节点功耗测试

采样电阻电压的方法进行节点功耗测量[12]。在电源模块的接口处串接1个10 Ω的电阻，利用高精度万能表测量实

[FK（W12][TPXZW8tif][FK）]

际电压值U，测得实际电流为I=U/10，再依据各状态电流I以及持续时间t，经过功耗计算公式测得节点每周期所消耗的电量。测量的结果显示，节点系统的休眠电流为007 mA，信息采集时的电流为112 mA，发射时的电流为126 mA。依据功耗公式，以每30 min为1次测量周期，节点消耗的电量为6 mA·h/d，则使用3 000 mA·h的37 V电池串联能够使无线传感器网络的节点持续工作时间达到 500 d，这符合系统低功耗的要求。节点功耗的计算公式为

[JZ（]Q=24×2×（I1·t1+I2·t2+I3·t3）。[JZ）]

式中：I1、I2、I3分别为节点的休眠电流、采集电流、发射状态电流。

44系统的整体测试

本研究将设计的节点系统于石河子农业科技园区（棉花地长1025 m，宽721 m，植株长宽间隔为034 m×018 m，高度为05～06 m）进行无线传感器组网试验，测得棉花田的实际土壤含水率、空气温湿度等。共使用6个节点，其中包括1个协调器节点、4个传感器节点、4个电磁阀节点、1个路由器节点。其中节点3和节点4距离协调器较远，需要通过路由器节点进行中转。

试验将棉花田主要划分为4个区域，每个区域都有相应的传感器节点负责监测此区域的温度与湿度，并且根据土壤含水率是否超过阈值来控制对应的电磁阀控制节点开关，达到精确灌溉的效果。传感器节点与电磁阀控制节点的工作如图9所示。

45网络的丢包率测试

传感器节点依据土壤含水率的采集方式，设定采集周期为20 min，采用节点休眠唤醒机制，连续监测7 d，测试的结果如表2所示。由表2可知，整个网络的平均丢包率为 275%，此系统网络传输比较稳定可靠。

5结束语

本研究设计以ZigBee无线传感器网络为核心的节水灌溉系统。传感器节点以8051为核心，CC2530为主芯片，搭载CC2591功放芯片及其外围电路作为无线通信模块，EC-5土壤水分传感器、DHT22数字温湿度传感器及外围电路作为传感器模块，此系统的各节点能够自组网，形成自愈型网状网络，在棉田间节点的有效通信距离达825 m。通过试验结果可知，整个网络的平均丢包率仅为275%。综上所述，该系统具有良好的实时性和可靠性，能够准确地采集棉田各类信息和控制电磁阀的工作，实现节水灌溉的目的。

参考文献：[HJ175mm]

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