基于ZigBee的智能农业灌溉系统研究

赵荣阳 ，王　斌，姜重然

(1．钦州学院 数学与计算机科学学院， 广西 钦州　535000；2．佳木斯大学 信息电子技术学院， 黑龙江 佳木斯　154007)



基于ZigBee的智能农业灌溉系统研究

赵荣阳1，王斌2，姜重然2

(1．钦州学院 数学与计算机科学学院， 广西 钦州535000；2．佳木斯大学 信息电子技术学院， 黑龙江 佳木斯154007)

摘要：针对传统农业灌溉中有线网络成本高、布线困难、覆盖范围受限等问题，以AT91SAM9260微处理器为控制核心、CC2530芯片为网络节点，利用超声波水位传感器、STR型土壤水分传感器采集农田水位数据信息，构建ZigBee网络。同时，通过GSM通信模块TC35i，实现了终端节点数据信息反馈及用户控制命令传输的智能农业灌溉系统，为农业的大田灌溉提供了详细的解决方案。

关键词：农业智能灌溉系统；ZigBee；CC2530；传感器

0引言

随着现代化农业的发展，大型农场、合作社经营、大型农用机械广泛使用，大大提高了农业的生产力水平，农业灌溉技术也从单一的人力劳动朝着半自动、自动化程度更高的方向发展。目前，农业灌溉主要以滴灌、喷灌、浇灌等方式为主，但由于受到灌溉范围、网络布线等因素的限制，大面积农田的灌溉自动化程度还不高。因此，研究一种覆盖范围广、价格低廉、性能可靠的智能灌溉系统对农业生产力水平的提高具有重要的意义。

1系统总体结构

基于ZigBee技术的智能农业灌溉系统主要包括监控中心、用户终端、主控制器、ZigBee协调节点、路由节点及负责数据采集的终端节点等几部分。主控制器通过协调节点、路由节点完成ZigBee网络的组网，与终端节点通信、发送控制命令，设定农田上、下限水位值。当终端节点检测到农田水位达到设定阈值的上限时，自动切断继电器供电，关闭电磁阀，停止灌溉操作；当检测水位达设定阈值的下限时，开启电磁阀，自动开始灌溉操作[1]。与此同时，主控制器通过GSM模块向用户终端发送启/停灌溉通知，并将命令状态信息、终端节点数据信息汇聚到控制中心。系统总体结构框图如图1所示。

图1　系统总体结构框图

2硬件实现方案

主控制器应用AT91SAM9260微处理器芯片，具有以太网、图像传感器、MCI 、USB及SPI等多种类型的接口，可实现高效的系统管理功能；支持Uc/OS、嵌入式Linux、Android及Windows CE等操作系统类型，支持Java编程。此外，AT91SAM9260内部自带16k的高速缓存，分别用于存储指令与数据，具有32k的 ROM和8k的SDRAM。AT91SAM9260结构框图如图2所示。

2.1ZigBee终端节点设计方案

ZigBee技术是一种具有低功耗、低成本、安全可靠、时延短、自动组网能力强等特点的无线通信技术[2]。ZigBee遵循 IEEE802.15.4标准与ZigBee联盟定义标准,完整的Zigbee协议栈自上而下由应用层、网络层、数据链路层和物理层组成，通常工作在2.4GHz、868MHz、915MHz3个频段上。其中，2.4GHz为全球统一频段，868、915MHz分别为欧洲、美国ISM段，传输速度可达250kbps，传输距离为10～200m，能够支持树形、网状等多种拓扑结构[3-4]。

ZigBee节点分为协调节点、路由节点和终端节点3种类型。其中，协调节点负责初始化网络、自动组网、向主控制器返回数据信息及向终端节点发送命令；路由节点负责路由选择及数据转发；终端节点负责水位、土壤水分等数据信息的采集，控制电磁阀通断[5]。本文采用水位、土壤水分传感器、CC2530最小系统设计终端数据采集节点，主要包括电源模块、数据信息采集模块及射频接收模块等。终端节点结构框图如图3所示。

图2　AT91SAM9260结构框图

图3　终端节点结构框图

CC2530是Ti公司的ZigBee SOC解决方案，内部集成51控制器、射频收发器，具有低功耗、节点设计简单、功能强等诸多特点[6]。水位传感器主要有浮子、压力、超声波、雷达及激光等多种类型[7]。综合比较各类传感器的价格、安装与维护等方面的优缺点，本文选择超声波水位传感器结合STR型土壤水分传感器[8]，实现终端节点的数据信息采集。

2.2GSM控制模块电路设计

系统采用TC35i模块实现主控制器与用户之间的数据交互，其具有体积小巧、功耗低、安全可靠及价格低等优点，主要包括基带处理器、天线接口、射频模块、供电电路、闪存储器及ZIF接口6部分。

GSM控制模块的实现主要是通过40针的电缆连接TC35i和主控制器AT91SAM9260。其中,TC35i的电源接线引脚为1～14；16～23为数据通信的接口引脚，与主控制器AT91SAM9260相连接，主要完成短信息的收发、与9260的通信、软件流的控制等功能。TC35i的DSR0、RING0、RXD0、TXD0、CTS0、RTS0和DCD0分别接9260的PB22、PB25、PB5、PB4、PB27、PB26、PB24和PB23引脚；24～29作为SIM卡接口引脚；32(SYNC)为负责指示工作状态引脚。GSM模块电路原理图如图4所示。

图4　GSM模块电路原理图

2.3Internet控制模块设计

智能农业灌溉系统与Internet相结合，通过ZigBee技术将灌溉系统内的各个节点连接在一起，并由主控制器的网络接口连接Internet，以达到用户可以随时、随地、方便、高效、快捷地访问灌溉系统的目的。

虽然系统采用的主控制器AT91SAM9260内嵌了10/100M Base T以太网MAC，支持IEEE802.3MAC控制层协议，但缺少物理层的网络接口，因而在Internet模块的电路设计中，需额外的物理层接口芯片，实现以太网的接入。使用较为广泛的物理层接口芯片有RTL8201、RTL8019AS及DM9161等多种类型。

DM9161是一款功耗低、功能强的CMOS芯片，内部集成整形滤波器功能，通过自动选择介质速率和协议类型，可提供自动协商功能，并且信号定义明确，连接简单。因此，本模块选用DM9161作为物理层芯片，电路原理如图5所示。

其中，MDC是管理数据时钟引脚，最大时钟速率为2.5MHz；MDIO是管理数据I/O引脚；CRS为载波监听引脚；COL用于冲突检测；TXCLK/RXCLK是发送/接收时钟引脚，在10Mbps串行模式下只用TXD0/RXD0；TXEN是发送使能端；TXER/RXER是发送/接收错误端；RXEN是接收使能端；RXDV是接收数据有效端，当RXDV=1时表示接收的数据有效。

图5　DM9161电路原理图

此外，为增强信号的抗干扰性、提高信号的传输距离及确保芯片的安全性，DM9161连接网络隔离变压器HR911105(集成RJ45接口)直接接入Internet网络[9]。DM9161其与网络隔离变压器HR911105的连接简单，只需要把DM9161的接收信号线RX+、RX-和发送信号线TX+、TX-分别与HR911105的RD+、RD-和TD+、TD-相连即可，而且HR911105自带工作状态指示灯，可以用来指示系统的工作状态。

3软件设计方案

系统软件平台选择以Uboot引导的Linux操作系统，具有免费、开源、内核可裁剪及功能可扩展等优点，并能够通过添加协议栈支持多种协议通讯方式[10]。节点核心CC2530支持802.15.4标准、ZigBee协议定义的4层网络结构，ZigBee协议层次结构图如6图所示。系统通过对应用层设计完成ZigBee设备对象(ZDO)的定义，实现协调节点、路由节点及终端节点的角色确认[11]。

3.1主程序设计方案

主程序首先初始化GSM通信模块与ZigBee协议栈，完成ZigBee网络的自动组网，设定农田水位上、下限，接收终端节数据信息，依据水位、土壤水分数据信息选择启动、关闭电磁阀，实现自动灌溉。由于影响超声波水位传感器精度的主要因素(如温湿度、泥沙、漂浮物等)在田间是不可避免的，所以水位传感器检测农田水位达到预设值上、下限时, 判断土壤水分传感器检测土壤湿度是否维持在相应值不变，即在设定值区间的波动程度，从而确定电磁阀的通断，控制灌溉操作的启停；同时，通过路由节点、协调节点、主控制器，将信息返回到用户终端。土壤水分传感器配合水位传感器采集数据，增强了系统的容错能力，提高了终端节点的可靠性。主程序流程图如图7所示。

图6　Zigbee协议层次结构图

图7　主程序流程图

3.2GSM应用程序的实现

根据系统的实时性需要，在应用程序的设计中为系统设置了一个新短信息标志位。GSM控制模块初始化后进入新短信息检测程序，当检测到有新的短信息时，首先提取短信息内容并清标志位；然后判断短信息是否为控制短信，若是则向终端节点发送相应的控制指令。应用程序流程图如图8所示。

图8　GSM控制模块应用程序流程图

初始化程序主要完成短信息编码方式的设置、新短信息提示及选择短信息的存储位置等，具体程序代码如下：

void Initial_TC35i(void)

{

Send_Comm(“AT+CMGF=1 ”);

//短信息为TEXT编码

Delay(200);

Send_Comm(“AT+CNMI=1,1,0,0,1 ”);//新短信息到达提示

Delay(200);

Send_Comm(“AT+CPMS=“SM”,“SM”,SM” ”);//短信息存储于SIM卡

Delay(200);

}

完成初始化后，系统检测是否有新的短信息。当检测到有短信息到达后，TC35i通过数据通信接口向主控制器AT91SAM9260发送短信息到达提示，并告知到达短信息存储于SIM卡的具体位置。系统收到提示信息后记录新短信息的存储位置，并置新短信息到达标志位。当系统监测到新短信息的到达标志位为1时读取短信息，并根据短信息的内容发送相应的控制指令给终端节点。

3.3嵌入式Web Server

嵌入式Web Server的引入为智能农业灌溉系统的网络化实现提供了条件,系统用户可以像使用互联网Web服务一样，在异地通过Internet浏览器访问嵌入式Web Server来查询终端节点采集的水位及土壤水分等信息,并能够发送控制命令,实现启/停灌溉系统及管理终端节点等操作。

嵌入式Web Server遵循HTTP通信协议，支持通用网关接口，能够为合法用户提供操作便捷、界面友好的Internet远程控制应用[12]。嵌入式Web Server的系统结构框图如图9所示。

图9　嵌入式Web Server系统结构框图

本系统的嵌入式WebServer服务器采用Inetd启动方式监视用户访问服务器的请求连接，并依据连接的状态启动服务。当浏览器产生一个正确无误的连接请求时，Inetd才去启动http服务器，调用HTTP请求处理模块。如果用户要向终端节点传送控制命令，则HTTP请求处理模块根据HTTP消息的头部信息，调用文件模块中的相应文件进行处理，处理的结果按HTTP协议返回给客户端。

其中,文件模块的实现是由嵌入式Linux操作系统的文件系统完成的。文件模块可读写，包括CGI(公共网关接口)处理文件及静态网页文件， CGI处理文件是文件模块的核心部分，具有实现用户登陆的身份安全认证，以及用户对终端节点设备进行控制设置时的参数解析等功能，从而保证了用户通过浏览器完成远程控制操作的安全性与正确性[13]。

4结束语

本文的智能农业灌溉系统以AT91SAM9260为主控制器、CC2530为各类型节点核心，结合ZigBee 网络技术，选用网络接入芯片DM9161，构建嵌入式WebServer服务器,实现灌溉系统的Internet访问,为农业大田灌溉的智能化、网络化提供了详细的解决方案。此外，用户能够通过GSM模块及时、便捷地掌握水位及土壤水分等数据信息，并通过协调器向终端节点发送控制命令，实现对灌溉系统的管理。本系统具有可靠性高、覆盖范围广、成本低廉及可扩展性高等诸多优点。

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Intelligent Irrigating Systems of Agriculture Based on Zigbee Technology

Zhao Rongyang1， Wang Bin2， Jiang Zhongran2

(1.College of Mathematics and Computer Science，Qinzhou University，Qinzhou 535000，China; 2．School of Information and Electronic Technology, Jiamusi University, Jiamusi 154007， China )

Abstract：This paper expounded an intelligent irrigating systems of agricultural which aims at the shortcomings of high cost, difficult to install line, limited coverage,etc,in traditional wired network Agricultural irrigation system. In the system AT91SAM9260 is used as control core , CC2530 as the network node with using Liquid Level Sensor and Soil Moisture Sensor to gather data of liquid Level for farmland. Group Network based on Zigbee technology and through TC35i to transmit control command , data information between user and terminal node.It provided a detailed solution for irrigating in agriculture.

Key words：intelligent irrigating systems of agriculture; ZigBee; CC2530; sensor

文章编号：1003-188X(2016)06-0244-05

中图分类号：S275;TP273

文献标识码：A

通讯作者：王斌(1979-)，男，黑龙江佳木斯人，副教授。

作者简介：赵荣阳(1982-)，男，哈尔滨人，讲师，(E-mail)jmsjcr@126.com。

基金项目：广西高校科学技术项目(KY2015LX516)；广西高校科学技术项目( 2013YB259);佳木斯大学基础研究类重点项目(Lz2014-005)

收稿日期：2015-05-18