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基于Zigbee的土壤墑情監控系統設計

來源：本站　類別：技術文章　更新時間：2010-05-20　閱讀次

0 引言

隨著全球水資源供需矛盾的日益加劇，節水農業已成為當今具有世界意義的焦點問題之一，世界各國都十分重視發展節水農業。以色列、日本、美國等國家都已采用先進的節水灌溉制度。通過采用遙感、遙測監測土壤墑情和作物生長等新技術，對灌溉區用水進行監測預報，實現灌溉區水資源的動態管理，不但成功地提高了農業產量，同時也節約了大量灌溉用水。國內部分地區也采用了一定的土壤墑情監控系統，但現有系統一般采用有線組網形式，并通過工業總線來實現數據傳輸(如RS232協議， RS485協議等)。這種組網形式存在布線困難、系統安裝調試周期長、使用復雜、需要專業人士進行日常維護等缺點，因而嚴重阻礙了其進一步推廣和應用。

本文提出的采用Zigbee技術并結合現代傳感器技術，同時通過無線組網的形式實現對土壤墑情的監控，從而開發了基于Zigbee的土壤墑情監控系統。其實測定土壤墑情可以用更簡單的方法，就是直接用儀器解決，如土壤墑情監測儀或者土壤水分溫度記錄儀來測定，只需將儀器插入土壤中，就可以測定不同深度的土壤中水分的含量，當然浙江托普儀器有限公司考慮到客戶其他方面的需要，又研發出了可測定多參數的儀器，如土壤水分溫度測試儀，多點土壤溫濕度記錄儀等。本系統將測控節點分布安設在灌溉區的各個地方，然后利用WSN將采集的數據傳輸給中心節點，再經過中心節點分析采集的數據，然后控制灌溉控制系統的狀態，從而實現灌溉區灌溉的“精細灌溉”。相比于有線方式的土壤墑情監控系統，基于Zigbee的土壤含水監控系統具有如下優勢：

(1) 采用無線傳輸方式，受灌溉區環境約束小；

(2) 系統具有微功耗特性；

(3) 通信節點成本低；

(4) 網絡組建方便、快速；

(5) 網絡結構靈活，采用自組織方式，可動態路由轉發以實現聯網通信，當擴大監控范圍時，網絡可以自動接納新增節點，而無需苛刻的日常維護和管理；

(6) 網絡容量大，覆蓋面廣；

(7) 安全性高；

(8) 通信時延短。

1 Zigbee協議簡介

Zigbee是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術。主要用于近距離無線連接。該技術依據IEEE802.15.4標準，可在數千個微小的傳感器之間相互協調以實現通信。Zigbee (由Zigbee Alliance所主導) 標準一般需定義網絡層(Network Layer)、安全層(Security Layer)、應用層(Application Layer)以及各種應用產品的資料(Profile)；而由國際電子電機工程協會(IEEE) 所制訂的802.15.4標準，則只定義了物理層(PHY Layer) 及媒體存取層( Media Access Control Layer； MAC Layer) 。Zigbee有數據傳輸速率低、功耗低、成本低、網絡容量大、時延短、安全、有效范圍小、工作頻段靈活等特點。其主要應用領域包括工業控制、消費類電子設備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫用設備控制等。

2 系統整體設計

基于Zigbee的土壤墑情監控系統由大量測控節點組成，這些節點通過Zigbee技術來構成一個WSN網絡。這些節點按其實現的功能可以分為中心節點、全能節點和終端節點。其中中心節點是網絡的中心，它是整個WSN網絡組建的發起者，并對整個網絡進行管理和維護；全能節點在網絡中起路由作用，并控制灌溉閥門的開關，全能節點也具有測量能力，能測量節點所在位置的土壤含水情況。而終端節點則是整個網絡的末端，與全能節點和中心節點相比，終端節點只具備測量功能，而不帶電機控制電路。

一般情況下，根據灌溉工具在灌溉區的實際灌溉能力，可將灌溉區劃分為若干個小灌溉塊，這些小灌溉塊通常可由1個全能節點和若干個終端節點組成一個小型的星型網絡，然后由全能節點控制小灌溉塊的供水閥門，并由終端節點負責采集該灌溉塊各個區域的土壤墑情。各個小灌溉塊之間的全能節點、終端節點與中心互連，以構成一個WSN網絡，網絡中只起路由功能的全能節點，可以保證網絡通信的可靠性。網絡組建成功后，終端節點將定時采集土壤濕度數據，并將數據直接上傳給中心節點，同時也可以利用WSN網絡的多跳功能將數據傳輸給上級的全能節點，然后通過若干個全能節點地接力，將數據傳送給中心節點。中心節點對信號進行分析后，再將分析結果發送給該小灌溉塊的全能節點，并通過全能節點來控制閥門以調節灌溉用水的用量。基于Zigbee的土壤墑情監控系統示意圖如圖1所示。

3 系統硬件設計

無線傳感器網絡節點的硬件設計是組建WSN網絡的基礎，節點的硬件設計主要包括電源、數據傳輸和處理、傳感器、電機驅動等模塊。電源模塊主要用于為系統提供可靠和穩定的電源，其中全能節點和終端節點的供電方式有所區別，終端節點是分布式設置在灌溉區域內的，所以，一般采用電池供電。而全能節點一般需要持續上電，且功耗比較大，所以，在設計上可采用灌溉管道控制系統來供電。

其次就是數據傳輸和處理模塊。本系統的核心控制芯片選用Jennic 公司生產的Zigbee 模塊JN5121模塊，該模塊集成了控制電路和射頻電路，并兼容2.4GHz IEEE802.15.4。同時在內部還集成了一個51核，此外，還具有96KB的RAM和64KB的ROM、4路12位ADC、2路11位DAC、2個UART接口、21路IO以及SPI和I2C總線接口等。通過調用該公司提供的API函數可實現對該模塊的

操作，并可組建一個具有自組織、多跳動態路由機制的無線傳感器網絡。傳感器模塊主要負責連接各類傳感器，包括水分傳感器，溫濕度傳感器。電機驅動模塊主要用于驅動外部的灌溉閥門的電機。通過電機驅動系統和JN5121模塊，便可以實時控制灌溉閥門的開關。

圖2所示是該系統節點的硬件框圖。

4 WSN網絡平臺的組建

4.1 節點初始化及入網流程

WSN網絡中各類節點的軟件流程如圖3所示。不同節點的軟件差異主要在于Zigbee協議棧的初始化。由于中心節點是網絡的建立者，故在整個WSN網絡中必須最先啟動。在初始化Zigbee協議棧時，通過調用afmeAddSimpleDesc () 函數，可在該函數中完成信道選擇并確定PAN ID，從而完成網絡組建。全能節點和終端節點則可在初始化Zigbee協議棧時，通過調用afmeAddSimpleDesc ()函數，將待入網的節點初始化為全能節點或是終端節點，然后掃描所有可用信道以尋找與自身PAN ID匹配的網絡。當掃描到匹配網絡后，待入網節點將向中心節點發送入網請求數據幀，當接

收到中心返回的入網確認信號后，表明節點已入網成功。

4.2 BOS系統的任務調度機制

Basic Operating System (BOS) 是一個簡單的非搶占式任務調度系統，各個任務都具有相同的優先級別，只有當一個任務運行結束后才能調用其他任務。BOS系統的運行流程如圖4所示。

BOS 系統可控制執行Zigbee Task 和DefaultUser Task，其中Zigbee Task可作為單獨任務被執行， APS (Application Sub-layer) 和ZDO (ZigbeeDevice Objects) 都在Zigbee Task中執行。DefaultUser Task則在BOS系統初始化時被創建。BOS系統初始化時，最多可以定義兩個User Task，根據功能實現的需要，可以在Default User Task中定義應用程序。Hardware Peripheral Event 和MACSub-Layer等屬于隨即事件，可以中斷的形式在Optional Task中處理。

4.3 網絡拓撲管理

網絡部署后，中心節點就要建立拓撲表，并建立一個節點的父子關系。拓撲發現分為兩個階段，首先是骨干網絡發現，在此階段，中心節點將自己的網絡級別設置為0級節點，然后在中心節點廣播域內的所有節點均發送分組，分組包含發送節點的類型和網絡級別，當中心節點廣播域內的所有節點收到中心節點發送的分組后，終端節點將忽略該分組信息，全能節點則將自己的網絡級別設置為分組中的網絡級別加1，即為第1級，然后將自己的節點類型和網絡級別作為新的發現分組廣播出去。當一個節點收到第i級節點的廣播分組后，記錄發送這個廣播分組的節點的級別，并設置自己的級別為(i+1)。這個過程將一直持續下去，直到網絡內的每個全能節點都具有一個級別。如果節點已經建立了自己的級別，就忽略其它的級別發現分組。第二階段是終端節點發現。在此階段，各個全能節點在自己的廣播區域內向它所有的終端節點發送分組包，終端節點收到分組后，會設置自身為該全能節點的附屬節點，并將自己的網絡信息發送給全能節點。當終端節點建立好附屬級別后，將忽略其他全能節點發送的分組。完成網絡發現后，所有節點將把自身的節點類型和網絡級別發送給中心節點，這樣，中心節點就可以建立一張當前的網絡拓撲圖。此后，當有新節點加入網絡時，中心節點就可在網絡中尋找該節點并更新拓撲表，并添加節點。而當有節點刪除時，中心節點也會更新拓撲表，并刪除該節點。

4.4 網絡數據傳輸

JN5121模塊可以采用KVP和MSG兩種數據包格式來傳輸數據.本系統采用的數據包格式為MSG格式，即通過afdeDataRequest () 和JZA_u8AfMsgObject() 兩個函數來實現節點間的數據傳輸，其中afdeDataRequest () 函數用于實現節點數據發送， JZA_u8AfMsgObject () 則負責數據接收，JZA_u8AfMsgObject ( ) 函數屬于BOS 系統中的Zigbee Task任務，因此，在BOS運行期間，系統會不斷查詢任務信息。當接收到新數據時，系統將調用JZA_u8AfMsgObject ( ) 函數，并在JZA_u8AfMsgObject () 函數中對數據包進行解析和處理。

5 系統功耗控制

系統節點的低功耗設計采用器件低功耗設計和精確的電源管理策略。其中器件低功耗設計主要是選擇低功耗器件，并在空閑時，通過軟件方式使器件進入低功耗或休眠模式。精確的電源管理策略則是采用選擇供電的方式，通過CPU來控制設備的供電時間。本系統設計就是采用器件低功耗設計同時，也根據節點需要完成功能，來為節點制定精確的電源管理。本系統設計終端節點為定時采集方式，從而大大縮短了終端節點的工作時間，使終端節點大部分時間都處于低功耗或休眠模式，本系統的終端節點電池的工作時間可以長達12個月到24個月。但是，全能節點必須一直處于工作狀態，因此，相對于終端節點，全能節點功耗比較高，故應盡量簡化全能節點的電路設計，并采用外部供電的方式，由灌溉控制系統來為其供電。

6 系統調試

本文給出的基于Zigbee的土壤墑情監控系統組裝完畢后，經測試，系統運行穩定。Zigbee無線通信系統的通信成功率達98. 392%，土壤水分傳感器的采集精度可達1%。通過低功耗設計，其終端節點的待機電流大約為17μA，工作電流大約為30mA。在一天24小時內，本系統中的節點每60分鐘采集一次數據，采集工作時間是17s（測試得到），系統在24小時內工作0.113h，待機23.887h，理論功耗為(0.113×30 ＋ 0.017×23.887)3.796mAH。對于一節普通的800mAH的堿性電池，其終端節點可以持續工作7個月。全能節點由灌溉區的灌溉控制系統供電，可以保證全能節點全天持續工作。實際上，系統持續工作時間取決于很多外部因素，例如：電池種類、容量和應用場合等。在實際應用中，合理配置終端節點的工作時間，也可以提高節點的工作時間。

7 結束語

本文介紹了以JN5121模塊為核心，基于Zigbee的土壤墑情監控系統的設計與實現方法，同時針對系統的節點硬件設計、網絡組建、數據通信和低功耗設計等問題，給出了詳細的解決方案，并成功實現了WSN網絡的組建。實驗證明，基于Zigbee的土壤墑情監控系統可以在很大程度上提高對農業土壤墑情的監控能力，同時，采用無線數據傳輸方式，也加強了系統的靈活性和可靠性。更有利于系統的推廣應用。本系統可實現無人職守工作，并可省去人工操作，從而可在真正意義上實現灌溉自動化。