ZigBee技术在微灌测控系统中的应用研究.docx
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ZigBee技术在微灌测控系统中的应用研究
Zigbee技术在微灌测控系统中的应用研究
摘 要:
ZigBee是基于IEEE802.15.4的一种新兴的无线网络技术,具有功耗低、组网能力强、成本低等特点。
简要介绍了ZigBee技术,提出一种基于ZigBee的微灌测控系统。
根据ZigBee网络的特点,设计了微灌测控系统网络,表述其工作方式,给出了硬件和软件方案。
关键词:
ZigBee;IEEE802.15.4;微灌;测控系统
前言
缺雨少水是农业发展的一大瓶颈,而微灌是现代几大节水灌溉技术(渠灌,喷灌,滴灌等)中最有效、利用率最高的灌溉技术之一。
建立一套高用水率,高性价比的微灌测控系统,对发展我国农业来说,意义重大。
目前,国内大部分微灌系统都是采用有线方式来采集和传递墒情信息;另有提出用GSM/GPRS,CDMA等无线通信模块来传递信息的系统,GSM/GPRS无线通信模块,价格比较高,使用要收费,且需要借助于公用通信网,考虑到农场均在偏远地带,多处接收不到信号,可行性不大;还有的提出了点对点的近距离无线通信模块[1],其组网性能不佳,也不能大规模组网。
目前发展迅猛的WPAN(无线个人局域网)新通信技术-ZigBee,无需借助公用通信网的支撑,低功耗,分布面积广,在作物种植区中组网便捷,且建网成本低,适合用在微灌测控系统中。
本文提出一种基于ZigBee技术的微灌测控系统,用来完成墒情信息的采集和传递,以及控制电磁阀动作,从而完成整个微灌控制的过程。
1ZigBee技术简介
在各种近距离无线通信技术层出不穷,竞争激烈的环境下,ZigBee以其低功耗、低成本脱颖而出。
ZigBee技术是建立在IEEE802.15.4的基础上的。
IEEE802.15.4是一种经济、高效,工作在868M/915M/2.4GHz频段的无线技术,用于个人区域网和对等网状网络。
ZigBee是推动IEEE802.15.4在业界广泛使用的产业联盟,该技术于2002年由美国Motorola、日本Mitsubishi、荷兰Philip、英国Invensys等公司联合成立的联盟提出[2]。
目前已有14个ZigBee促进组织成员,即Eaton、Ember、Freescale、Honeywell、HuaWei等。
2006年11月,ZigBee联盟公布了首批ZigBee认证产品,有4家公司的产品入选:
MaxStreamde的Xbee,、NECEngineering的ZB24FM-Z、S3C的GC63、SoftwareTechnologiesGroup的SensorNetworkInfrastructure(SNI)。
目前已获得超过150家公司的支持。
ZigBee产品有省电,可靠,低成本,网络容量大和安全等特性。
ZigBee协议的框架图如图1所示[3]。
2干旱区域微灌测控系统的组成和特点
2.1系统总体结构
微灌是利用专门设备,将有压水变成细小的水流或水滴,湿润作物根部附近土壤的滴水方法,微灌包括滴灌,微喷灌和涌泉灌[4]。
本文以滴灌系统为例,来架设整个微灌系统。
微灌里有许多灌溉设备,在滴灌中所用的设备有毛管,支管,干管。
所谓毛管,就是直接向灌水器配水的管道,支管是直接向毛管配水的管道,干管是直接向支管配水的管道[4]。
滴灌就是滴水灌溉技术,它是将具有一定压力的水由滴灌管道系统输送到毛管,然后通过安装在毛管上的滴头、孔口或滴灌带等灌水器,将水以水滴方式均匀而缓慢滴入土壤,满足作物生长所需水分,它是一种局部灌水技术[5]。
滴灌系统示意图如图2所示。
图2中水从干管流向支管,通过支管流向毛管,再经过毛管均匀流向作物。
连接支管和毛管的关键部件是电磁阀,通过控制电磁阀的开合,就可以使水流向作物或终止供水。
电磁阀的开合通过RTU(远程终端单元)控制,每个RTU控制2个电磁阀。
RTU与RTU之间通过ZigBee网络联系在一起。
ZigBee在此处的作用,就是联络网关与RTU,使之信息互传。
再通过其他多种通信手段,使网关与中心站之间信息互传。
从而完成RTU与中心站,以及中心站到RTU之间的信息交换。
根据SL427-2008《水资源监控管理系统数据传输规约》,要求在工作期间[6]:
(1)整个网络ZigBee系统数据通信误码率小于10-5,通信可靠度>99.99%,控制可靠度>97%;
(2)监控中心正确接收1次所属全部监控站数据的时间不超过2min,完成1次区域遥测站数据采集并完成灌溉设备的监控不超过3min。
整个微灌测控的系统如图3所示。
将灌区分成若干个小灌区,每个小灌区设置1个网关,各灌区通过网关和中心站联系;每个网关下面又有许多RTU,这些一起组成微灌测控系统。
中心站根据各灌区的墒情信息,负责统一调度灌溉。
比如,某个时刻,其中1个RTU采集来的墒情信息显示,该片区域土壤湿度值为作物需水警戒值,则发送命令,开启电磁阀,对该片区域进行灌溉;或者墒情信息显示该片区域湿度饱和,不需要再进行灌溉,则发送指令关闭电磁阀,停止灌溉,避免浪费。
网关可以通过各种通信方式(GPRS、CDMA、互联网等)连接到中心站。
网关的作用就是实现协议转换,比如,从ZigBee转换到TCP/IP,连接到互联网中,或者转换到GPRS通信网中,这样在ZigBee网络中传输的数据可以传输到公网中,从而实现远程监控。
RTU是工作在监测点的终端单元,主要功能是采集墒情数据(在本系统中主要是土壤水分)和控制电磁阀动作。
RTU由MCU、ZigBee通信模块、固态存贮模块、墒情采集模块和电磁阀控制模块等组成。
MCU与ZigBee通信模块通过异步串行口连接(RS-232),固态存贮模块、墒情采集模块及控制电磁阀模块均通过通用I/O口与MCU连接。
RTU与RTU之间的通信是通过ZigBee网络连接在一起,其通信过程完全遵循ZigBee通信协议。
不同分中心的ZigBee网络分别属于自己的WPAN(个人无线局域网),之间的网络号相异,不受对方干扰。
2.2系统的工作方式
ZigBee网络中有3种网络角色:
ZigBee协调器、ZigBee路由器和设备。
ZigBee协调器即是网络建立的起点,负责WPAN(无线个人局域网)的初始化,确定WPAN的ID和PAN操作的物理信道并统筹短地址分配。
协调器在加入网络之后获得一定的短地址空间。
在这个空间内,它有能力允许其他节点加入网络,并分配短地址,协调器还具备路由和数据转发的功能。
根据功能不同,设备可分为全功能(FFD)和精减功能两种设备(RFD)。
FFD可以与其他所有设备相连接和通信,而RFD只能与FFD相连接和通信。
在1个ZigBee网络中,至少存在1个FFD充当整个网络的协调点,即WPAN协调点,ZigBee中也称作ZigBee协调点。
1个ZigBee网络只有1个WPAN协调点。
通常,WPAN协调点是1个特殊的FFD,具有较强大的功能,是整个网络的主要控制者,它负责建立新的网络,发送网络信标,管理网络中的节点,以及存储网络信息等。
FFD和RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。
此外,普通FFD也可以在它的个人操作空间(POS)中充当协调点,但仍然受WPAN协调点的控制。
ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点,1个ZigBee网络最多可容纳65535个节点[3]。
IEEE802.15.4/ZigBee协议中明确定义了3种拓扑结构:
星型结构(Star)、簇树结构(Cluster-Tree)和网状结构(Mesh)[3],如图4所示。
对于网状和簇树状结构,对应的路由算法分别为AODV和Cluster-Tree算法,前者能耗比较大,但具有灵活的路由查找能力,比较适合移动节点的情况;后者不需要路由表,扩展网络范围比较广,适合于静态或者慢速运动的节点[7]。
在星状拓扑中,网络由一个ZigBee协调器控制。
ZigBee协调器主要负责初始化,并维护网络及网络中的其他所有设备,这些设备均作为终端设备直接与ZigBee协调器通信。
在Mesh或簇树网络中,ZigBee协调器负责启动网络并设置某些关键参数,网络可以通过ZigBee路由器进行扩展。
树状网络通常使用基于信标的通信模式,Mesh网络允许完全的点对点通信。
在微灌系统中,并不是简单地应用3种拓扑结构。
簇树和网状结构各有优缺点,考虑到各RTU的时间同步性、同频干扰性、数据包丢失率等因素,应根据实际微灌系统进行网络设计,从而达到最优网络。
测站系统采取定时开机和关机方式,即每一工作周期,通过时钟芯片定时触发测站MCU,使之进行开机或者关机。
在每一工作周期的开始阶段,测站被时钟芯片唤醒。
接着,测站开始墒情信息采集,并将数据存储到固态存储中,然后发送到中心站。
中心站接收到数据,并存贮到数据库中。
在没有关机之前,整个无线网络是活跃状态,中心站可以在这一段时间内,进行相关的参数设置,以及动作要求,比如,进行通信模块参数的设置,校时等等。
每一次处理叫做一次事件,在每一次事件完成之后,如果没有其他事件,或者关机时间的来到,则处于待机状态,否则响应事件,或者关机。
系统所进行的开启、关闭电磁阀,还有中心站主动招测墒情数据,都在这一时间内完成。
其间ZigBee网络的节点处于活动状态才能够进行网络传输,节点处于不活动状态时,整个网络不工作。
3RTU硬件逻辑图
在此微灌测控系统中,ZigBee的RFC网络设备模块的MCU采用TI公司的生产的MSP430F135单片机。
MSPF430系列单片机具有16位RISC结构,集成度高、外围设备丰富、功耗超低的特点,应用广泛[8]。
微灌测控系统工作环境比较恶劣,通常使用的电源为普通电池,使用功耗较低的处理器,可避免经常更换电池,降低了管理人员工作强度,从而降低整个系统的运行成本。
DIGI公司的ZigBee通信模块-XbeeZNet2.5OEMRFModules,是ZigBee技术的首批认证产品。
此模块共20引脚,直插式。
通过RS323与MCU连接,最少只需连接3根线。
射频部分芯片全部内部集成,外带天线,天线类型自选。
制作电路板时,只需按照原理图引到20引脚的插槽中,插槽每个插孔链接模块的相应引脚。
这样就可以让没有高频电路设计经验的人避免做PCB板的麻烦。
工作电压3.3V,刚好与MCU相同,电源可以公用[9]。
每个RTU上连接3个墒情传感器——土壤水份传感器,分别测量不同深度土壤的含水量。
另外带2个双稳态电磁阀。
双稳态电磁阀采用先进的脉冲和永磁技术,只需通过控制器切换脉冲的电极触点就可以改变阀的开、关状态,当控制器发出电脉冲时,驱动磁芯带动阀瓣克服永磁力产生上下位移、阀瓣到位后在永磁作用下处于自保持状态。
双稳态电磁阀有响应迅速、使用简便、高效节能等优点。
RTU硬件逻辑图如图5所示。
网关选择DIGI公司的ConnectPort×8,使用GPRS通信模块或是以太网口,实现ZigBee局域网和中心站之间,ZigBee局域网和Internet网的互联。
网关与ZigBee局域网为无线通信,与中心计算机之间选用IP网络通信接口[9]。
4系统软件设计
整个系统软件流程图如图6所示。
整个系统存在1个工作时间,即时钟芯片定时唤醒RTU和定时终止RTU工作期间。
在此期间,中心站可以对RTU进行各种设置和主动操作。
在此时间内,ZigBee模块处于活动状态,活动状态包括通信状态(发送和接收)和IDLE(空闲状态)[9]。
一旦某些模块处于关闭或不工作状态,则会影响到其他RTU状态。
4.1墒情信息采集
墒情信息采集,是在每次开机过程中进行,或者中心站主动要求测站进行土壤水分测量,前者包含在初始化动作中,后者处于墒情信息采集子模块中,流程图如图7所示。
4.2双稳态电磁阀的控制
双稳态电磁阀是中心站根据墒情信息,主动要求RTU动作以开启或者关闭电磁阀,达到灌溉和停止灌溉的目的。
流程图如图8所示。
5结语
本文结合ZigBee技术和当前的微灌系统,提出一种新的微灌测控自动化系统。
根据ZigBee网络的特点,设计了微灌测控系统网络,以及其工作方式,接着给出了硬件和软件方案。
利用ZigBee技术的省电,低成本,可靠,以及大容量等特性,可大大提高整个测控系统的性能和经济性。
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- 关 键 词:
- ZigBee 技术 测控 系统 中的 应用 研究