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澳大利亚的HardieIrigation公司的HR6100系列灌溉控制器,是一种小型化的自动灌溉控制器,主要面对家庭院落和商业绿化场地的浇灌;
而MicrooMaster系列产品为进行大面积灌溉而开发的控制器,该产品采用分布式布置,可与上位机进行双向通信,用微机对其进行编程操作和对子控制器进行控制,并能用微机随时查看监测区域灌溉系统的工作状态。
我国的智能灌溉系统起步较晚,但也用许多成功而有意的探索和应用,如用8031单片机为核心的自动灌溉控制器,其可以任意设定周期进行灌溉,也可据检测的土壤水分进行闭环控制,能控制多路灌溉系统进行多种方式的灌溉,该系统已应用于北京航空航天大学体育场。
北京奥特斯达科技有限公司研制的WT-O2型微喷灌定时自动控制器,是一种供农业、草坪、果园、温室场合给水的电子灌溉控制器。
还用针对节水灌溉而开发的系统,它在系统上下位机采用GSM短信或485总线通信方式,通过各类传感器(土壤水分、土壤温度、空气温湿度、风速等)实时采集环境参数,在上位机形成原始数据库,并通过专家专家知识系统决策灌溉量的多少,以达到节水目的,目前该系统已在北京海淀区苏家屯绿地精确灌溉示范区、北京南五环京开立交桥高速公路中央隔离带及北京大兴庞各庄温室中部署应用。
而ZigBee技术在城市绿地灌溉系统中也有一些论文。
总之,分析目前我国在城市绿地灌溉方面的探索研究和成功应用,总有一些不尽人意的地方,如采用无线电传播方式,在整个信息传递过程中,其功耗高、时延长等因素会限制城市绿地灌溉系统能否快速有效地获取环境信息,另外通信费用高将影响推广性。
同时,国内外一些成功的商用产品以其高昂的价格,使许多单位望而却步。
1.3研究目的和意义
随着城市绿地面积的增加,城市绿地浇水势必使城市水资源日益短缺的现状雪上加霜,除此而外,现有的城市绿地灌溉系统还存在布线复杂、维护困难,可控性差,不能做到智能、精准的养护等问题。
1.4Zgbee技术应用于城市绿地浇水系统中
ZigBee技术的出现,从根本上改变了信息传递的方式,实现了随时随地的信息采集、处理和传输。
另外采用ZigBee技术,可以灵活方便地组网,能以更低的功耗实现多点、可靠地数据传输和分布式管理。
因此本设计采用Zigbee作为无线组网的关键技术,使得大面积城市绿地环境参数的获取在数据采集节点的控制下进行,该系统在实现精确、及时、低功耗和无线、自动控制的同时,也符合未来城市绿地发展的要求。
2.基于Zigbee的城市绿地智能浇水系统设计
2.1系统概述
基于ZigBee技术的无线网络系统由ZigBee无线通信模块、湿度传感器和上位PC监控计算机,电磁阀和滴箭等构成,系统总框图如图1所示。
上位PC机主要负责测量数据的存储、分析。
ZigBee通信模块分为主机模块和从机模块,网络拓扑采用星型网络,即一个网络协调器和若干个从机终端模块。
与PC机相连的模块作为网络协调器,它的主要任务有两个:
①负责组织无线网络,即自动搜寻网络中的终端节点;
②从终端机节点取得PC主机需要的数据,实现终端节点与上位PC机之间的通信。
ZigBee终端模块与湿度传感器相连,一个终端节点模块可以根据需要连接多个测湿度的探头。
图1系统结构总框图
本文的设计目标是在滴灌控制系统中通过加入一个协调器和若干个终端节点,搭建一个ZigBee网络,从而将由田间传感器测得的信息采集后用于优化精确灌溉。
软件基于ZigBee协议栈,达到测量植株滴灌依据参数的要求,解决当前一般滴灌系统精确度低,人为失误,适应性不强等问题,实现滴灌管理的自动化、科学化。
2.2采集节点设计
本实验以一台PC机作为基站连接ZigBee协调器,若干网络节点构成一个传感网络,执行机构为控制各灌区水流开关的电磁阀。
无线传感器网络节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理模块(微处理器、存储器)、数据传输模块(无线收发器)和电源模块(电池、DC/DC能量转换器)四部分组成。
数据采集单元负责监测植物生长环境参数采集和数据转换,本设计中数据采集单元主要是土壤湿度传感器,温度传感器,光照传感器;
数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等;
数据传输单元负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;
数据传输单元主要由相应的通信协议(主要是MAC协议)及低功耗、短距离的无线通信模块CC2430组成;
电源部分主要给传感器模块、处理模块、无线通讯模块供电。
电路设计主要包括四部分,如图2所示。
即对传感器检测结果的处理电路、通讯电路、继电器控制电路及数据存储电路。
电磁阀的正电源线接到了继电器的常开触点上,这样,通过控制继电器的吸合就能控制电磁阀电源的通断,也就控制了灌溉。
图2无线传感器网络节点的结构框图
传感器节点由传感器模块、处理器CC2430模块、天线模块、电源模块、电源管理模块、功率放大模块、LED指示灯部分组成。
LED指示灯由P1_0口控制,LED用来显示现在节点的网络状态。
电源模块主要给处理器和电源管理模块供电。
当需要采集数据时由P0_0口选通电源管理模块,电源管理模块就可以给传感器模块和功率放大器模块供电了。
传感器模块负责采集监测区域内的数据,传感器采集的数据信号放大后给处理器进行下一步处理。
处理器模块先把采集的数据信号进行模数转换,然后进行处理,处理后的数据由天线发出。
2.3协调器节点的硬件设计
协调器节点和上位PC机相连接,并和终端节点无线传输数据。
协调器是实现组星型网的关键。
协调器节点由电源模块、电压转换模块、按键模块、串口模块、LED指示灯、处理器CC2431模块、天线模块7部分组成。
CC2431的工作电压为3~3.3V,所以要用电压转换模块把电压从5V降低到3.3V左右;
用户通过按键来选择功能菜单,确定采集哪个监测区域的数据。
处理器处理采集的数据后,通过串口模块传给上位机,进行进一步处理。
协调器节点的应用电路如图3所示。
图3协调器节点应用电路图
3.软件实现
系统软件设计的主要任务是实现无线网络的组网,传感器工作的控制以及数据的无线收发。
本系统所用的开发环境是IAREmbeddedWork-bench7.20,采用的协议栈为TI的Z-STACK[5]。
系统将协调器通过串口RS232和上位机(PC)相连,通过人机交互的方式可以对局部监测区域的传感器进行数据采集监测,也可对整个监测区域做数据融合后,对整个监测区域有宏观把握。
由于对监测区域要有宏观的把握。
为实现这一功能,必须知道每个传感器节点的网络地址,这就需要每个传感器设备在加入网络后把网络地址发送给协调器,协调器收到传感器网络地址后建立地址表存储起来,以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的据。
系统的软件由C语言编写,主要包括数据采集和数据传递的程序。
其包括初始化程序、网络的建立、数据采集、数据传送等。
IAR生成的目标代码分为调试版本(Debug)和发行版本(Release)两种,其中Debug目标代码的地址定义在SRAM中,将被下载到SRAM中执行;
Release目标代码的地址定义在Flash中,最终大部分在Flash中执行。
程序编译以后没有错误和警告就可以下载到CC2430芯片中。
3.1协调器节点软件设计
当协调器收到信息时,根据数据的第1个标识字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据。
若是传感器的网络地址,则把该网络地址存储在地址表里,然后把网络地址通过串口发给上位机,由上位机做进一步处理;
若是传感器采集的数据信息,则需通过标识符进一步判断;
如果用户是局部监测区域数据采集请求,则把该数据显示给用户,否则就是用户采集整个监测区域的融合后的数据。
这时,需要把该数据存到临时数组里,依据地址表采集下一个传感器的数据信息,待把整个监测区域的传感器数据采集完毕后,根据临时数组里的数据做融合,并把最终结果显示给用户。
当用户通过上位机监测系统发送局部监测区域数据请求时,该区域传感器的网络地址会通过串口发给协调器,协调器会根据该网络地址进行数据采集;
当用户发送整个监测区域加权平均的数据请求时,协调器会根据地址表中的网络地址,依次采集传感器的数据后做数据融合。
协调器节点软件设计的流程如图4所示。
图4协调器程序流程图
本设计采用的是星状网络拓扑,它包括一个数据中心(AccessPoint),数据中心主要负责网络管理。
数据中心为终端节点(EndDevices)提供数据存储、转发等,并管理网络内设备成员权限、连接权限以及安全等。
数据中心还可以支持终端设备的功能扩展,如在网络中它可以自动实例化终端设备的传感器。
一个网络地址由两个部分构成:
一个物理地址(由程序设置)和一个应用层地址即PORT。
物理地址是在程序编译的时候就已经设定,网络中每一个设备必需要分配网络中唯一的硬件物理地址。
物理地址的长度限制在四个无符号字节以内。
而且CC2430第一个地址字节不能是0x00或者0xff。
在这两个射频芯片工作时帧格式已经定了第一个字节0X00和0xff会被认为是广播帧。
应用程序接口地址(PORT)是在设备加入网络,网络连接的过程序中分配,是不受用户干涉的。
下面介绍协调器建立网络时用到的关键程序函数。
nwk_join.c:
程序块。
sLinkToken=0xDEADBEEF:
连接标志。
staticvoidsmpl_send_join_reply(mrfiPacket_t*frame):
加入应答。
voidsaveAddress(mrfiPacket_t*frame):
AP存放加入进来的终端设备地址。
uint8_tisJoined(mrfiPacket_t*frame):
判断设备是不是重复加入网络。
smplStatus_tnwk_join(void):
网络加入函数。
nwk_globals.c:
voidnwk_globalsInit(void):
初始化该设备网络中的四字节地址,将存放于ROM中的地址调入RAM中方便以后调用。
addrtconst*nwk_getMyAddress(void):
取出本机地址返回指向地址的指针。
voidnwk_setMyAddress(addr_t*addr):
用户程序手动设置该设备在网络中的地址。
voidnwk_setAPAddress(addr_t*addr):
设置加入到的网络的地加入过程中读回的AP的地址。
addr_tconst*nwk_getAPAddress(void):
取回设备网络的地址,即设备所在AP的地址。
MRFI_SetRxAddrFilter((uint8_t*)nwk_getMyAddress()):
设置接收匹配地址。
MRFI_EnableRxAddrFilter():
打开接收地址匹配。
3.2传感器节点软件设计
传感器节点上电后,首先进行系统的初始化,然后选择信道并加入现有的ZigBee无线网络,休眠等待接收信号,当接收到网关节点发出的查询信号后,进行数据的采集并发送回协调器节点。
设备上电后将扫描信道,加入合适的网络,加入网络后将把16位网络地址发给协调器。
设备工作时将周期地轮询路由器,看是否有采集数据的命令信息。
若有,则采集数据并把数据发给协调器,否则继续侦听信道。
传感器节点软件设计的流程如图5所示。
图5传感器程序流程图
3.2.1数据传输
ZigBee技术的数据传输模式分为3种数据传输类型:
第1种是从设备向主协调器送数据;
第2种是主协调器发送数据,从设备接收数据;
第3种是在两个从设备之间传输数据。
对于星型拓扑结果的网络来说,由于该网络结构只允许在主协调器和从设备之间交换数据,因此,只有两种数据传输类型。
下面分别介绍数据发送和接收程序中用的主要函数:
应用程序通过调用aplSendMSG()函数发送消息包。
此函数的定义如下:
aplSendMSG()
BYTEdstMode, //目标地址的地址模式
LADDR_UNION*dstADDR,//目的地址的指针
BYTEdstEP,//目标端点(直接消息方式不用)
BYTEcluster,//簇号(仅用于直接消息)
BYTEscrEP,//消息源端点
BYTE*pload,//用户数据缓冲区指针
BYTEplen,//缓冲区字节数
BYTEtsn,//消息的事务队列数
BYTEreqack//如果非0则要求确认)
消息从源节点的源端点发送到目标节点的目标端点。
消息分直接消息(指定了目标地址)和非直接消息(仅定义了源节点、源端点和簇,没有指定目标地址)。
端点号从1到255由应用程序设置(端点0由栈保留使用)。
消息发送以,协议栈会向父节点路由此消息。
如果收到APS的ack确认,协议栈就会将消息发送给目标端点。
协议栈使用以下APL访问函数接收数据包。
aplGetRxDstEp() 返回目的端点
aplGetRxCluster() 返回簇号
aplGetRxSrcEp() 返回源端点
aplGetRxSADDR() 返回源端点的短地址
aplGetRxMsgLen() 返回消息长度
aplGetRxMsgData() 返回消息数据的指针
aplGetRxRSSI() 返回收到消息的信号强度
而后用户回调函数usrRxPacketCallback()将被调用。
这个函数将使用用户数据结构保存数据,设置已收到数据的标志位。
此函数结束后消息数据的指针将会被释放,所以在函数结束之前要将数据保存以防止下一个包将数据覆盖掉。
3.2.2数据采集
以湿度的采集为例进行介绍。
从节点使用片内湿度传感器检测土壤湿度
首先要定义宏函数,配置ADC:
参考电压位内部1.25V基准,转换精度为12位,转换通道位内部湿度传感器。
#defineSAMPLE_TEMP_SENSOR(v)\
do{\
ADCCON2=0X3E;
\
ADCCON1=0X73;
while(!
ADCCON1&
0X80));
v=ADCL;
v|=(((unsignedint)ADCH)<
}while(0)
//湿度采集及换算函数
//返回值:
实际的湿度数值
floatgetTemp(void){
unsignedintdacvalue;
floatoutputVolage;
SAMPLE_TEMP_SENSOR(adcValue);
adcValue>
>
=4;
//取12位精度
outputvoltage=adcValue*0.61065;
//换算成电压值
return((outputvoltage-779.75)/2.43//转换成实际湿度数值
}
3.3ZigBee自组网
ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事?
举一个简单的例子就可以说明这个问题,当一队伞兵空降后,每人持有一个ZigBee网络模块终端,降落到地面后,只要他们彼此间在网络模块的通信范围内,通过彼此自动寻找,很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。
而且,由于人员的移动,彼此间的联络还会发生变化。
因而,模块还可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网络进行刷新。
这就是自组织网。
ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信?
网状网通信实际上就是多通道通信,在实际工业现场,由于各种原因,往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通,就像城市的街道一样,可能因为车祸,道路维修等,使得某条道路的交通出现暂时中断,此时由于我们有多个通道,车辆(相当于我们的控制数据)仍然可以通过其他道路到达目的地。
而这一点对工业现场控制而言则非常重要。
ZigBee技术具有强大的组网能力,可以形成星形、簇状和MESH网状型。
根据需要,选用适用于点对多点、近距离通信场合的星形网络。
即使用一个全功能设备(FFD)担任网络协调器即主控节点,其余设备设置为精简功能设备(RFD)充当从机节点。
主从之间的通信协议及组网方式如下:
主控节点的MCU首先进行信道扫描,采用一个其他网络没有使用的空闲信道,同时创建一个从机的注册信息列表。
列表内容包括从机的ID号、连接状态、注销与否等信息。
主控节点上电后,先对注册信息列表进行检查,若发现有未使用的ID号,则发送搜索命令,如果接收到从机回应,则为其分配这个ID号,然后切换到工作信道,等待从机的应答包,若ID号匹配,则表示分配成功,主机将更新该ID的注册信息列表。
然后主机分别对注册信息列表中的每个有效ID发送数据请求,以获取温度信息。
若某ID在最大通信时间内未响应,主机将修改该ID的注册信息列表,直到认为已与该从机失去联系,则将该ID号注销。
从机节点上电后首先监听默认信道,如果收到主机发送的搜索命令,则回应主机,并附上自己的随机码。
在收到主机的注册命令后,先对比随机码,进行匹配时则切换到工作信道,并使用注册命令中分配的ID号发送应答包,以完成注册。
随后使用传感器探头采集土壤的数据,等待主机索取土壤数据的命令,发送完数据后进入休眠,一定时间后醒来再次采集数据,如此循环。
4.系统测试
4.1ZigBee节点组网测试
节电组网测试主要用终端节点,路由节点,协调器节点三者之间组成无线传感网络。
这三种节点下载好程序后,用串口线将协调器节点与PC机相连,同时保持终端节点、路由器节点和协调器节点之间的距离不超过10m。
各个节点上电复位后,完成各自的自检功能后,自动建立网络,其余的终端节点自动找到中心节点并申请入网。
控制中心节点向终端节点发送网络参数,终端节点保存参数并加入网络。
当终端节点由于距离干扰不能直接与中心节点通信时,会自动向周围中心节点广播自身信息,通过评价周围节点到中心节点的路由信息来决定使用哪个节点作为自身的父节点(增强型中心节点),从而完成入网过程。
最后打开串口测试助手在PC机上查看数据是否正常。
4.2组网测试界面及数据
00:
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33天蓝蓝
2014-12-11
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30天蓝蓝
30
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结语与展望
本文在对滴灌在国内外现状分析下,提出了基于ZigBee技术的自动滴灌系统的设计方案,并设计开发了相应的传感器节点。
随着微计算机、ZigBee技术和传感器技术的发展和推广,无线自动滴灌将会得到更多的应用和发展。
本论文主要完成以下工作:
1、根据滴灌数据采集的要求,提出了基于ZigBee技术的自动滴灌采集系统的硬件方案和软件方案。
2、采用CC2430芯片为核心芯片,配合外围器件,设计了一种结构简单,成本较低,精度较高的传感器节点。
3、进行软件开发与调试,包括ZigBee组网,湿度、温度、光敏传感器采集数据并实现无线收发。
本系统的无线自动滴灌系统在完成了硬件和软件的初步设计和调试功能后,结合当地的降雨和土壤条件,初步设定了试验和算法的初始值。
整个系统的功能在硬件和软件上还需要继续完善,以达到成熟可实际应用的标准。
目前,在我国ZigBee网络应用范围也非常广泛,但还没有应用到农业领域中。
现阶段,我国在精确农业应用中,采用无线电传播这种方式。
虽然其特性良好,但功耗高、时延长、安全性无保障等诸多限制性因素制约了无线电传播的发展,使其很难为精准农业提供快速而有效的信息资源,也致使我国大部分地区仍采用传统农业,停留在使用孤立的、没有通信能力的机械设备,主要依靠人力监测作物的生长状况水平上,从而也限制了我国精准农业的发展。
而传感器和Zigbee网络技术的应用,解决了这一难题,传统农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式,使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制等设备及方法应用到农业生产中。
传感器收集包括土壤温湿度、微量元素含量、pH值、降水量、空气湿度和气压、病菌发生动态、作物长势等环境和作物信息资源,经由Zigbee网络传送到中央控制设备,农业专家可以根据采集信息的地理位置与所得信息资源进行汇总,及时、准确地发现问题,解决问题,指导农民生产,从而有助于保持并提高农作物的产量和质量。
因此,要大力发展ZigBee网络在我国精准农业中的应用,尽快开发zigbee芯片的应用程序,填补我国数字农业研究领域的空白,为我国精准农业的发展提供基础保障。
结论
本文简要介绍了基于ZigBee城市绿地智能浇水系统实现的基本原理、系统开发主要流程、以及应用检验效果。
利用无线传感器网络的分布式特点,大幅度提高了系统在移动性、便捷性、组网灵活性等方面的综合功能,在农业领域的应用会有很好的发展前景。
通过研究和应用也
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