基于zigbee无线网络的土壤墒情速测仪监控系统.pdf

230 第 27 卷 2011 年 第4期 4月 农业工程学报 Transactions of the CSAE Vol.27 No.4 Apr.2011 基于 zigbee 无线网络的土壤墒情监控系统 胡培金，江 挺，赵燕东 （北京林业大学工学院，北京 100083）摘 要：为了提高农业灌溉用水利用率，针对传统有线网络采集布线复杂和成本高的缺点，该文设计了一套基于 Zigbee 无线网络和 CC2430 MCU 的土壤墒情监测系统。该系统综合了 Zigbee 无线网络自行组网、自行愈合和超低功耗的优点，采用太阳能电池供电，能实时监测和记录土壤墒情信息，为进一步制定节水灌溉策略提供有力的数据支持。初步试验结 果表明，该系统运行稳定，丢包率低，能及时准确的监控土壤墒情信息，并将土壤含水率维持在适合植物生长的最佳含 水量的范围之内。研究结果可为进一步开发更精准的自动灌溉系统提供数据支持。关键词：CC2430，土壤墒情，zigbee，监控系统，灌溉 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.04.040 文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-04-0230-05中图分类号：TP274+.5 胡培金，江 挺，赵燕东.基于 zigbee 无线网络的土壤墒情监控系统J.农业工程学报，2011，27(4)：230234.Hu Peijin,Jiang Ting,Zhao Yandong.Monitoring system of soil water content based on zigbee wireless sensor network J.Transactions of the CSAE,2011,27(4):230234.(in Chinese with English abstract)0 引 言 1 系统设计 中国水资源总量占世界水资源总量的 7%，水资源总 量位居世界第 6 位，但是人均淡水资源量只有 2 200 m3，居世界第 119 位，是世界人均占有量的 1/4，是全球 13 个贫水国之一。中国是农业大国，由于多年来采取传统 的大水漫灌方式，目前中国农业用水的有效利用率仅为 40%左右，远低于发达国家 70%80%的水平，因此提高 农业灌溉用水利用率已成为研究的热门课题。随着信息化浪潮的到来和无线网络技术的发展，越 来越高的技术已融入到节水灌溉当中，土壤墒情信息的 采集是绝大多数节水灌溉技术的基础。Zigbee 技术是一 种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术，其自组 网、自愈和、多组网方式、三级安全模式等优点，为无 线网络的建立带来方便。靳广超等 1 提出了一种基于 zigbee 无线网络的土壤墒情检测系统，但仅限于监测土壤 2墒情而没有控制功能；王建等 提出的基于 zigbee 土壤墒 情监控系统，通过控制电磁阀的开闭来控制灌溉区域的 土壤含水率，但是这套系统还需要市电的支持，并且控 制策略过于简单。综合以上 2 种系统的优缺点，本文设 计了一套基于无线传感器网络的土壤墒情监控系统，该 系统整个监测和控制的过程都实现无线化，并能在上位 机中自行设定灌溉阈值和灌溉时间以达到精准灌溉的目 的，而且价格大大低于进口产品价格，便于推广使用。1.1 无线土壤墒情监测系统结构及工作原理 如图 1 所示，无线土壤墒情监测系统由网关节点（协 调器）、功能节点（路由器）组成3。协调器负责选择初 始通信信道，初始化网络配置并接受子节点加入网络，它还拥有路由器的全部功能。一个网络只能有一个协调 器。路由器用于在节点间传递数据包，并允许子节点加 入。协调器和路由器统称为全功能设备(FFD)4。Zigbee 网络中还有一种终端设备，但是终端设备的作用仅限于 寻找并连接路由器而不能进行数据包的路由，为了方便 网络的布置，本系统中的功能节点全都设置成路由节点。系统工作原理如图 2 所示5，协调器节点建立网络和配置 网络当中的各种参数，一旦建网成功后协调器就充当路 由器的作用。路由器节点负责上传自身或其他节点向协 调器发送的数据包10。收稿日期：2010-09-25 修订日期：2010-12-12 基金项目：林业公益性行业科研专项（200704040）；2008 北京市教育委员 会共建项目（2008BJKY01）共同资助 作者简介：胡培金（1984），男，江西人，主要研究方向为嵌入式系统设 计。北京 北京林业大学工学院，100083。Email: 通信作者：赵燕东（1965），女，山东人，博士，副教授，主要研究方 向为智能检测与信号处理。北京 北京林业大学工学院，100083。Fig.1 图 1 系统结构 Framework of the system 第4期 胡培金等：基于 zigbee 无线网络的土壤墒情监控系统 231 图 2 系统工作原理图 Fig.2 System schematic 协调器启动之后便进入组网流程，组网过程当中协 调器按照 Zigbee 协议的规定，各层之间进行一系列的会 话，完成新网络的参数配置直至网络建立成功12。然后 路由节点开始加入网络，路由器和协调器各层协议分别 通过一系列会话之后完成对自身的配置，此后网络当中 的各个节点之间就可以通信了13。传感器节点会定时向协调器发送 2 种数据包，一种 是心跳包，心跳包的主要作用是用于实时检测节点是否 在线；另一种数据包上传传感器含水率和电磁阀状态，协调器收到含水率包后将其存储在上位机的数据库当 中。这 2 种数据包都包含有节点长地址和网络地址等其 他丰富的信息9。1.2 硬件设计 本文是基于 Texas Instruments 公司的 CC2430 和 CC2591 进行开发的。CC2430 是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满 足以 ZigBee 为基础的 2.4 GHz ISM 波段应用，及对低成 本、低功耗的要求11。CC2591 是一款高性能的低成本前 端。它集成了功率放大器、低噪声放大器、平衡转换器、交换机、电感器和 RF 匹配网络等。配合上高增益天线，可将无线传感器网络覆盖范围提高到 400 m 甚至上千米。节点结构如图 3 所示，CC2430 作为整个系统的 CPU，负责执行软件中指定的各种任务。CPU 采集土壤含水率 后并将其存储在 flash 存储器中8；网络状态指示电路中 有 2 个指示灯，用于指示当前网络处于在线、脱网还是 收发数据状态。RS232 接口和计算机串口连接后，可通 过上位机软件直接向网络发送命令。CC2591 是射频放大 芯片，加上 6DB 高增益天线的作用，CC2591 可将无线 传感器网络的覆盖范围大大的提高。系统当中的传感器采用北京林业大学自主研发的 BD-I 型土壤水分传感器，由 100 MHz 高频信号源、同轴 高频传输线及土壤探针组成。传感器基于驻波原理研制，与目前广泛使用的 TDR 相比，在同等精度的情况下，BD-I 型传感器响应速度更快，价格更便宜。电磁阀采用了雨鸟公司生产的 200-PGA 型电磁阀，该阀配备 TBOS 控制模块，阀的启停是由正负脉冲来控 制，非常适用于没有交流电的场合。整个系统由智能太阳能充放电管理系统供电，供电 系统由光伏板、铅酸蓄电池和太阳能充放电管理电路组 成。为了节省功耗，系统运行完规定的任务之后便进入 休眠模式，直到有事件将其唤醒。通过几个月的试验表 明，蓄电池在充满电后能持续运行半个月左右。1.3 软件设计 该系统软件是基于 TI 公司的 Z-Stack 协议栈开发。Z-Stack 协议栈为用户写好了协议部分的代码，只需开发 人员把主要精力投入在应用层开发即可，省去了开发底 层协议的繁琐工作。Z-Stack 以操作系统的形式给出，系 统中所有的操作被定义为任务或事件7。协调器通过一系列的初始化之后建立网络，网络 建 立之后协调器只负责传感器节点与上位机的数据交换。传感器节点加入网络后循环执行两个任务，一个是每隔 10 s 向协调器发送一个心跳包，上位机通过统计单位时间 段内收到的数据包数量感知传感器节点是否在线。另一 个任务是每隔 0.5 h 向协调器节点报告一次土壤含水率。探头检测到的模拟电压信号经过处理后变成含水率，然 后经 RS485 通信电路发往 CC2430，CC2430 通过预先设 定的控制策略判断是否执行开关阀门的动作。如图 4 所示，协调器启动之后便进行初始化无线电 通道、短地址、串口设备、操作系统等操作，紧接着定 义配置文件和注册节点，然后就可以启动网络，Z-Stack 是以操作系统的形式出现的，完成组网和硬件初始化工 作后协调器不断查询操作系统有否事件发生，一旦查询 到有事件发生便去执行相应的任务。路由器节点和协调 器节点的大体流程基本相同，路由器节点比协调器多执 行 2 个任务：1）向协调器发送心跳包；2）向协调器发 送节点含水率与电磁阀状态。2 监测上位机 图 3 节点结构图 Fig.3 Framework of the node 监测上位机软件开发环境为 Visual studio 2008 软件，软件界面（如图 5 所示）中可以了解网络中每个节点的 IEEE 地址、网络地址、父节点 IEEE 地址、RSSI 接收信 号强度、含水率采集时间、传感器含水率、阀门状态等 232 农业工程学报 2011 年 图 4 节点软件流程图 Fig.4 Flow of the node program 均选取这个高度作为网关及节点的放着高度。在场地中 放置 10 个功能节点，一个网关节点。每个功能节点下接 2 个土壤水分传感器，分别检测距地表 8 和 20 cm 处的土 壤含水率。3.1 通信距离测试 通信距离测试分为单点通信距离测试和组网通信距 离测试9。单点测试时只开启网关和一个测试节点，从相 距 50 m 开始依次加大测试节点与网关的距离，直至二者 相距 300 m，测试节点每隔 10 s 向网关节点发送一帧数据 包，记下 1 h 内（总共发送 360 帧数据包）网关节点接收 到的数据包数量，得图 6 中单点传输距离曲线。组网通信测试时整个网络的所有节点都打开，仍然 是从相距 50 m 开始依次加测试节点之间及测试节点与网 关之间的距离，直至两两相距 300 m，测试节点每隔 10s 向网关节点发送一帧数据包，记下 1 h 内网关节点收集到 的数据包数量，得图 6 网络传输距离曲线。单点测试试验中，网关节点与测试节点距离为 120 m 时接收数据包 347 个，成功率为 96%；距离为 300 m 时接 收数据包 325 个，成功率为 90%。组网测试试验中，节点 间距离 120 m 时接收到 336 个数据包，成功率为 93%；节 点距离为 300 m 时接收数据包 307 个，成功率为 86%。由图 6 中可以看出组网距离小于单点测试距离，这 是因为组网后整个网络中所有节点都向网关节点发送数 据包，造成路由节点和网关节点负荷加大，从而导致产 生丢包现象。但在组网距离为 300 m 时，即使数据包接 收率为 90%，也能很好地满足工程需要。图 5 上位机监控软件流程图 Fig.5 Flow of the monitoring program 图 6 传输距离测试 Fig.6 Test of transmission distance 信息。上位机软件具有以下功能：即时数据采集、阈值 设置、开关阀门、传感器标定、灌溉时间设置、节点历 史数据图表显示以及用水量统计。另外还可以查询该网 络的拓扑结构。为了方便日后软件的更新。软件当中还 加入了空中下载功能，只需在上位机软件当中适当配置 之后就可以更新原节点当中的程序镜像，更新后节点从 镜像指定的启动代码处开始执行新的程序。图7 3 试验设计及验证 2010-05-182010-07-11 每天接收数据包量 Fig.7 Received packets in one day 为了验证系统的各项性能指标，本研究选取一块约 为 300 m450 m 区域作为试验场地(位于北京市昌平区前 蔺沟村现代农业示范基地)。通过大量试验，最终得出节 点高度为 1.5 m 时，通信质量较稳定。因此，下面的试验 3.2 网络稳定性测试 路由节点每 10 s 向协调节点发送一帧数据包，每天 工作 8.5 h，一共 3060 帧数据包。以下是协调器在从 2010-05-182010-07-11 每天接收来自距离自身 300 m 处 第4期 胡培金等：基于 zigbee 无线网络的土壤墒情监控系统 233 的 2 个节点数据帧数量。06-04、14、17、07-09 这几天是 强降雨天气，1 号节点接收成功率为 85%、83%、84%、84%；2 号节点接收成功率为 85%、82%、83%、85%。其余时间段数据包接收成功率都能达到 86%以上，由此 可以看出大雨天气会影响无线网络的数据传输。3.3 土壤墒情监测测试 试验时将每个节点底下挂载 2 个土壤水分传感器，距地表分别为 8cm 和 20cm。当检测到上层传感器的含水 率低于设定的阈值时控制系统开启电磁阀，20 min(可根 据植被和土质不同自行设着)后关闭电磁阀等待水分下渗 5 min 后再检测 20 cm 处含水率是否低于设定的阈值，如 果低于设定阈值就继续启动电磁阀6。从 2010-052010-07 运行效果（如图 8 所示）来看，8cm 处传感器含水率小于 20cm 处传感器含水率，且上层 的变化波动大于下层变化波动。由图 7 看出，06-4、14、17、07-09 几次降雨后含水率升高也很好的体现出来了，由于有了电磁阀的介入，整个灌溉区域内的含水率大概维 持在一个范围之内，这个范围可以根据植物生长的各个阶 段对水的需求量灵活设置，这也是该系统的特点之一。从 观测数据来看，该系统对土壤墒情的监控是准确可靠的。图 8 2010-0507 试验区含水率监测结果曲线图 Fig.8 Result chart of soil water content in irrigated field 5 结 论 6 本文基于 CC2430、CC2591 和 Z-Stack，设计了一套 由太阳能供电的无线土壤墒情检测系统。从传输距离试 验中可以看出，单点传输距离为 300 m 时丢包率小于 10%，组网后节点距离为 300 m 时丢包率小于 13%。网络 稳定性测试试验表明，除大雨天气接收成功率低于 85%以外，其他时间段成功率都能维持在 86%以上。从含水 率监测试验来看，监测数据和实际的降雨量能很好的吻 合,由于电磁阀的介入，灌溉区域的含水率在一个值附近 波动。通过以上的试验表明该土壤墒情监控系统运行稳 定可靠，能为进一步开发更精准的自动灌溉系统提供数 据支持。参 考 文 献 靳广超，彭承林，赵德春，等.基于 zigbee 的土壤墒情检 测系统J.重庆：传感器与微系统，2008，27(10)：92 94.Zigbee-based soil humidity monitoring systemJ.王建，雷斌.基于 zigbee 的土壤墒情监控系统设计J.西 安：设计参考，2009，11(2)：3538.3 4 5 瞿雷，刘盛德，胡闲斌.Zigbee 技术及其应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.李文仲，段朝玉.Zigbee2006 无线网络与无线定位实战M.北京：北京航空航天大学出版社，2008.乔晓军，张馨，王成，等.无线传感器网络在农业中的应 用J.农业工程学报，2005，21(2)：232234.Qiao Xiaojun,Zhang Xin,Wang Cheng,et al.Application of the wireless sensor networks in agricultureJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2005,21(2):232234.章军富，陈峻崎，胡剑飞，等.基于 GPRS/SMS 和 C/OS 的都市绿地精准灌溉系统J.农业工程学报，2009，25(9)：16.Zhang Junfu,Chen Junqi,Hu Jianfei,et al.Control system of urban green land precision irrigation based on GPRS/SMS and C/OS embedded technologyJ.Transactions of the CSAE,2009,25(9):16.7 包长春，石瑞珍，马玉泉，等.基于 ZigBee 技术的农业设施 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