ZigBee技術(shù)在微灌測控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.doc

Zigbee技術(shù)在微灌測控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究摘 要：ZigBee 是基于IEEE802.15.4的一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有功耗低、組網(wǎng)能力強、成本低等特點。簡要介紹了ZigBee技術(shù)，提出一種基于ZigBee的微灌測控系統(tǒng)。根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點，設(shè)計了微灌測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，表述其工作方式，給出了硬件和軟件方案。關(guān)鍵詞：ZigBee；IEEE802.15.4；微灌；測控系統(tǒng)前言缺雨少水是農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大瓶頸，而微灌是現(xiàn)代幾大節(jié)水灌溉技術(shù)（渠灌，噴灌，滴灌等）中最有效、利用率最高的灌溉技術(shù)之一。建立一套高用水率，高性價比的微灌測控系統(tǒng)，對發(fā)展我國農(nóng)業(yè)來說，意義重大。目前，國內(nèi)大部分微灌系統(tǒng)都是采用有線方式來采集和傳遞墑情信息；另有提出用GSM/GPRS，CDMA等無線通信模塊來傳遞信息的系統(tǒng)，GSM/GPRS無線通信模塊，價格比較高，使用要收費，且需要借助于公用通信網(wǎng)，考慮到農(nóng)場均在偏遠地帶，多處接收不到信號，可行性不大；還有的提出了點對點的近距離無線通信模塊1，其組網(wǎng)性能不佳，也不能大規(guī)模組網(wǎng)。目前發(fā)展迅猛的WPAN(無線個人局域網(wǎng))新通信技術(shù)ZigBee，無需借助公用通信網(wǎng)的支撐，低功耗，分布面積廣，在作物種植區(qū)中組網(wǎng)便捷，且建網(wǎng)成本低，適合用在微灌測控系統(tǒng)中。本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的微灌測控系統(tǒng)，用來完成墑情信息的采集和傳遞，以及控制電磁閥動作，從而完成整個微灌控制的過程。1 ZigBee技術(shù)簡介在各種近距離無線通信技術(shù)層出不窮，競爭激烈的環(huán)境下，ZigBee以其低功耗、低成本脫穎而出。ZigBee技術(shù)是建立在IEEE802.15.4的基礎(chǔ)上的。IEEE802.15.4是一種經(jīng)濟、高效，工作在868M/915M/2.4GHz頻段的無線技術(shù)，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是推動IEEE802.15.4在業(yè)界廣泛使用的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，該技術(shù)于2002年由美國Motorola、日本Mitsubishi、荷蘭Philip、英國Invensys等公司聯(lián)合成立的聯(lián)盟提出2。目前已有14個ZigBee促進組織成員，即Eaton、Ember、Freescale、Honeywell、HuaWei等。2006年11月，ZigBee聯(lián)盟公布了首批ZigBee認(rèn)證產(chǎn)品，有4家公司的產(chǎn)品入選:MaxStreamde的Xbee,、NECEngineering的ZB24FM-Z、S3C的GC63、Software Technologies Group的SensorNetwork Infrastructure ( SNI)。目前已獲得超過150家公司的支持。ZigBee產(chǎn)品有省電，可靠，低成本，網(wǎng)絡(luò)容量大和安全等特性。ZigBee協(xié)議的框架圖如圖1所示3。2 干旱區(qū)域微灌測控系統(tǒng)的組成和特點2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)微灌是利用專門設(shè)備，將有壓水變成細小的水流或水滴，濕潤作物根部附近土壤的滴水方法，微灌包括滴灌，微噴灌和涌泉灌4。本文以滴灌系統(tǒng)為例，來架設(shè)整個微灌系統(tǒng)。微灌里有許多灌溉設(shè)備，在滴灌中所用的設(shè)備有毛管，支管，干管。所謂毛管，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術(shù)，它是將具有一定壓力的水由滴灌管道系統(tǒng)輸送到毛管，然后通過安裝在毛管上的滴頭、孔口或滴灌帶等灌水器，將水以水滴方式均勻而緩慢滴入土壤，滿足作物生長所需水分，它是一種局部灌水技術(shù)5。滴灌系統(tǒng)示意圖如圖2所示。圖2中水從干管流向支管，通過支管流向毛管，再經(jīng)過毛管均勻流向作物。連接支管和毛管的關(guān)鍵部件是電磁閥，通過控制電磁閥的開合，就可以使水流向作物或終止供水。電磁閥的開合通過RTU（遠程終端單元）控制，每個RTU控制2個電磁閥。RTU與RTU之間通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。ZigBee在此處的作用，就是聯(lián)絡(luò)網(wǎng)關(guān)與RTU，使之信息互傳。再通過其他多種通信手段，使網(wǎng)關(guān)與中心站之間信息互傳。從而完成RTU與中心站，以及中心站到RTU之間的信息交換。根據(jù)SL427-2008水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，要求在工作期間6：（1）整個網(wǎng)絡(luò)ZigBee系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信誤碼率小于 105，通信可靠度99.99，控制可靠度97；（2）監(jiān)控中心正確接收1次所屬全部監(jiān)控站數(shù)據(jù)的時間不超過 2min，完成1次區(qū)域遙測站數(shù)據(jù)采集并完成灌溉設(shè)備的監(jiān)控不超過 3 min。整個微灌測控的系統(tǒng)如圖3所示。將灌區(qū)分成若干個小灌區(qū)，每個小灌區(qū)設(shè)置1個網(wǎng)關(guān)，各灌區(qū)通過網(wǎng)關(guān)和中心站聯(lián)系；每個網(wǎng)關(guān)下面又有許多RTU，這些一起組成微灌測控系統(tǒng)。中心站根據(jù)各灌區(qū)的墑情信息，負(fù)責(zé)統(tǒng)一調(diào)度灌溉。比如，某個時刻，其中1個RTU采集來的墑情信息顯示，該片區(qū)域土壤濕度值為作物需水警戒值，則發(fā)送命令，開啟電磁閥，對該片區(qū)域進行灌溉；或者墑情信息顯示該片區(qū)域濕度飽和，不需要再進行灌溉，則發(fā)送指令關(guān)閉電磁閥，停止灌溉，避免浪費。網(wǎng)關(guān)可以通過各種通信方式（GPRS、CDMA、互聯(lián)網(wǎng)等）連接到中心站。網(wǎng)關(guān)的作用就是實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，比如，從ZigBee轉(zhuǎn)換到TCP/IP，連接到互聯(lián)網(wǎng)中，或者轉(zhuǎn)換到GPRS通信網(wǎng)中，這樣在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以傳輸?shù)焦W(wǎng)中，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。RTU是工作在監(jiān)測點的終端單元，主要功能是采集墑情數(shù)據(jù)（在本系統(tǒng)中主要是土壤水分）和控制電磁閥動作。RTU由MCU、ZigBee通信模塊、固態(tài)存貯模塊、墑情采集模塊和電磁閥控制模塊等組成。MCU與ZigBee通信模塊通過異步串行口連接（RS-232），固態(tài)存貯模塊、墑情采集模塊及控制電磁閥模塊均通過通用I/O口與MCU連接。RTU與RTU之間的通信是通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接在一起，其通信過程完全遵循ZigBee通信協(xié)議。不同分中心的ZigBee網(wǎng)絡(luò)分別屬于自己的WPAN(個人無線局域網(wǎng))，之間的網(wǎng)絡(luò)號相異，不受對方干擾。2.2 系統(tǒng)的工作方式ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種網(wǎng)絡(luò)角色：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和設(shè)備。ZigBee協(xié)調(diào)器即是網(wǎng)絡(luò)建立的起點，負(fù)責(zé)WPAN(無線個人局域網(wǎng))的初始化，確定WPAN的ID和PAN操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配。協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡(luò)之后獲得一定的短地址空間。在這個空間內(nèi)，它有能力允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并分配短地址，協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。根據(jù)功能不同，設(shè)備可分為全功能（FFD）和精減功能兩種設(shè)備（RFD）。FFD可以與其他所有設(shè)備相連接和通信，而RFD只能與FFD相連接和通信。在1個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，至少存在1個FFD充當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點，即WPAN協(xié)調(diào)點，ZigBee中也稱作ZigBee協(xié)調(diào)點。1個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有1個WPAN協(xié)調(diào)點。通常，WPAN協(xié)調(diào)點是1個特殊的FFD，具有較強大的功能，是整個網(wǎng)絡(luò)的主要控制者，它負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，以及存儲網(wǎng)絡(luò)信息等。FFD和RFD都可以作為終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此外，普通FFD也可以在它的個人操作空間(POS)中充當(dāng)協(xié)調(diào)點，但仍然受WPAN協(xié)調(diào)點的控制。ZigBee中每個協(xié)調(diào)點最多可連接255個節(jié)點，1個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535個節(jié)點3。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議中明確定義了3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)(Star)、簇樹結(jié)構(gòu)(Cluster-Tree)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)3，如圖4所示。對于網(wǎng)狀和簇樹狀結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的路由算法分別為AODV和Cluster-Tree算法，前者能耗比較大，但具有靈活的路由查找能力，比較適合移動節(jié)點的情況；后者不需要路由表，擴展網(wǎng)絡(luò)范圍比較廣，適合于靜態(tài)或者慢速運動的節(jié)點7。 在星狀拓?fù)渲?，網(wǎng)絡(luò)由一個ZigBee協(xié)調(diào)器控制。ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)初始化，并維護網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中的其他所有設(shè)備，這些設(shè)備均作為終端設(shè)備直接與ZigBee協(xié)調(diào)器通信。在Mesh或簇樹網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置某些關(guān)鍵參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)可以通過ZigBee路由器進行擴展。樹狀網(wǎng)絡(luò)通常使用基于信標(biāo)的通信模式，Mesh網(wǎng)絡(luò)允許完全的點對點通信。在微灌系統(tǒng)中，并不是簡單地應(yīng)用3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。簇樹和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，考慮到各RTU的時間同步性、同頻干擾性、數(shù)據(jù)包丟失率等因素，應(yīng)根據(jù)實際微灌系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，從而達到最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。測站系統(tǒng)采取定時開機和關(guān)機方式，即每一工作周期，通過時鐘芯片定時觸發(fā)測站MCU，使之進行開機或者關(guān)機。在每一工作周期的開始階段，測站被時鐘芯片喚醒。接著，測站開始墑情信息采集，并將數(shù)據(jù)存儲到固態(tài)存儲中，然后發(fā)送到中心站。中心站接收到數(shù)據(jù)，并存貯到數(shù)據(jù)庫中。在沒有關(guān)機之前，整個無線網(wǎng)絡(luò)是活躍狀態(tài)，中心站可以在這一段時間內(nèi)，進行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，以及動作要求，比如，進行通信模塊參數(shù)的設(shè)置，校時等等。每一次處理叫做一次事件，在每一次事件完成之后，如果沒有其他事件，或者關(guān)機時間的來到，則處于待機狀態(tài)，否則響應(yīng)事件，或者關(guān)機。系統(tǒng)所進行的開啟、關(guān)閉電磁閥，還有中心站主動招測墑情數(shù)據(jù)，都在這一時間內(nèi)完成。其間ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點處于活動狀態(tài)才能夠進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，節(jié)點處于不活動狀態(tài)時，整個網(wǎng)絡(luò)不工作。3 RTU硬件邏輯圖在此微灌測控系統(tǒng)中，ZigBee的RFC網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模塊的MCU采用TI公司的生產(chǎn)的MSP430F135單片機。MSPF430系列單片機具有16位RISC結(jié)構(gòu)，集成度高、外圍設(shè)備豐富、功耗超低的特點，應(yīng)用廣泛8。微灌測控系統(tǒng)工作環(huán)境比較惡劣，通常使用的電源為普通電池，使用功耗較低的處理器，可避免經(jīng)常更換電池，降低了管理人員工作強度，從而降低整個系統(tǒng)的運行成本。DIGI公司的ZigBee通信模塊Xbee ZNet 2.5 OEM RFModules，是ZigBee技術(shù)的首批認(rèn)證產(chǎn)品。此模塊共20引腳，直插式。通過RS323與MCU連接，最少只需連接3根線。射頻部分芯片全部內(nèi)部集成，外帶天線，天線類型自選。制作電路板時，只需按照原理圖引到20引腳的插槽中，插槽每個插孔鏈接模塊的相應(yīng)引腳。這樣就可以讓沒有高頻電路設(shè)計經(jīng)驗的人避免做PCB板的麻煩。工作電壓3.3V，剛好與MCU相同,電源可以公用9。每個RTU上連接3個墑情傳感器土壤水份傳感器，分別測量不同深度土壤的含水量。另外帶2個雙穩(wěn)態(tài)電磁閥。雙穩(wěn)態(tài)電磁閥采用先進的脈沖和永磁技術(shù)，只需通過控制器切換脈沖的電極觸點就可以改變閥的開、關(guān)狀態(tài)，當(dāng)控制器發(fā)出電脈沖時，驅(qū)動磁芯帶動閥瓣克服永磁力產(chǎn)生上下位移、閥瓣到位后在永磁作用下處于自保持狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)電磁閥有響應(yīng)迅速、使用簡便、高效節(jié)能等優(yōu)點。 RTU硬件邏輯圖如圖5所示。網(wǎng)關(guān)選擇DIGI公司的ConnectPort8,使用GPRS通信模塊或是以太網(wǎng)口，實現(xiàn)ZigBee局域網(wǎng)和中心站之間，ZigBee局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)的互聯(lián)。網(wǎng)關(guān)與ZigBee局域網(wǎng)為無線通信，與中心計算機之間選用IP網(wǎng)絡(luò)通信接口9。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計整個系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。整個系統(tǒng)存在1個工作時間，即時鐘芯片定時喚醒RTU和定時終止RTU工作期間。在此期間，中心站可以對RTU進行各種設(shè)置和主動操作。在此時間內(nèi)，ZigBee模塊處于活動狀態(tài)，活動狀態(tài)包括通信狀態(tài)（發(fā)送和接收）和IDLE（空閑狀態(tài)）9。一旦某些模塊處于關(guān)閉或不工作狀態(tài)，則會影響到其他RTU狀態(tài)。4.1 墑情信息采集墑情信息采集，是在每次開機過程中進行，或者中心站主動要求測站進行土壤水分測