基于zigbee和cc2430mcu的土壤暑冷區(qū)土壤鄖情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于zigbee和cc2430mcu的土壤暑冷區(qū)土壤鄖情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0節(jié)水灌溉技術(shù)中的土壤墑情信息中國的水資源總量占世界水資源總量的7%，水資源總量排名世界第六位。然而，人均淡水資源總量僅為22003，世界人均規(guī)模為119。它是世界上人均規(guī)模的1.4。它是世界上13個(gè)貧困國家之一。中國是農(nóng)業(yè)大國,由于多年來采取傳統(tǒng)的大水漫灌方式,目前中國農(nóng)業(yè)用水的有效利用率僅為40%左右,遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家70%~80%的水平,因此提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率已成為研究的熱門課題。隨著信息化浪潮的到來和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,越來越高的技術(shù)已融入到節(jié)水灌溉當(dāng)中,土壤墑情信息的采集是絕大多數(shù)節(jié)水灌溉技術(shù)的基礎(chǔ)。Zigbee技術(shù)是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù),其自組網(wǎng)、自愈和、多組網(wǎng)方式、三級(jí)安全模式等優(yōu)點(diǎn),為無線網(wǎng)絡(luò)的建立帶來方便。靳廣超等提出了一種基于zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情檢測系統(tǒng),但僅限于監(jiān)測土壤墑情而沒有控制功能;王建等提出的基于zigbee土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng),通過控制電磁閥的開閉來控制灌溉區(qū)域的土壤含水率,但是這套系統(tǒng)還需要市電的支持,并且控制策略過于簡單。綜合以上2種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)整個(gè)監(jiān)測和控制的過程都實(shí)現(xiàn)無線化,并能在上位機(jī)中自行設(shè)定灌溉閾值和灌溉時(shí)間以達(dá)到精準(zhǔn)灌溉的目的,而且價(jià)格大大低于進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格,便于推廣使用。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1z空間監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如圖1所示,無線土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)、功能節(jié)點(diǎn)(路由器)組成。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)選擇初始通信信道,初始化網(wǎng)絡(luò)配置并接受子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),它還擁有路由器的全部功能。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器。路由器用于在節(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù)包,并允許子節(jié)點(diǎn)加入。協(xié)調(diào)器和路由器統(tǒng)稱為全功能設(shè)備(FFD)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中還有一種終端設(shè)備,但是終端設(shè)備的作用僅限于尋找并連接路由器而不能進(jìn)行數(shù)據(jù)包的路由,為了方便網(wǎng)絡(luò)的布置,本系統(tǒng)中的功能節(jié)點(diǎn)全都設(shè)置成路由節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)工作原理如圖2所示,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)和配置網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的各種參數(shù),一旦建網(wǎng)成功后協(xié)調(diào)器就充當(dāng)路由器的作用。路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)上傳自身或其他節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包。協(xié)調(diào)器啟動(dòng)之后便進(jìn)入組網(wǎng)流程,組網(wǎng)過程當(dāng)中協(xié)調(diào)器按照Zigbee協(xié)議的規(guī)定,各層之間進(jìn)行一系列的會(huì)話,完成新網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置直至網(wǎng)絡(luò)建立成功。然后路由節(jié)點(diǎn)開始加入網(wǎng)絡(luò),路由器和協(xié)調(diào)器各層協(xié)議分別通過一系列會(huì)話之后完成對(duì)自身的配置,此后網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間就可以通信了。傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)定時(shí)向協(xié)調(diào)器發(fā)送2種數(shù)據(jù)包,一種是心跳包,心跳包的主要作用是用于實(shí)時(shí)檢測節(jié)點(diǎn)是否在線;另一種數(shù)據(jù)包上傳傳感器含水率和電磁閥狀態(tài),協(xié)調(diào)器收到含水率包后將其存儲(chǔ)在上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。這2種數(shù)據(jù)包都包含有節(jié)點(diǎn)長地址和網(wǎng)絡(luò)地址等其他豐富的信息。1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本文是基于TexasInstruments公司的CC2430和CC2591進(jìn)行開發(fā)的。CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用,及對(duì)低成本、低功耗的要求。CC2591是一款高性能的低成本前端。它集成了功率放大器、低噪聲放大器、平衡轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)、電感器和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等。配合上高增益天線,可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍提高到400m甚至上千米。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示,CC2430作為整個(gè)系統(tǒng)的CPU,負(fù)責(zé)執(zhí)行軟件中指定的各種任務(wù)。CPU采集土壤含水率后并將其存儲(chǔ)在flash存儲(chǔ)器中;網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示電路中有2個(gè)指示燈,用于指示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)處于在線、脫網(wǎng)還是收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。RS232接口和計(jì)算機(jī)串口連接后,可通過上位機(jī)軟件直接向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令。CC2591是射頻放大芯片,加上6DB高增益天線的作用,CC2591可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍大大的提高。系統(tǒng)當(dāng)中的傳感器采用北京林業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的BD-I型土壤水分傳感器,由100MHz高頻信號(hào)源、同軸高頻傳輸線及土壤探針組成。傳感器基于駐波原理研制,與目前廣泛使用的TDR相比,在同等精度的情況下,BD-I型傳感器響應(yīng)速度更快,價(jià)格更便宜。電磁閥采用了雨鳥公司生產(chǎn)的200-PGA型電磁閥,該閥配備TBOS控制模塊,閥的啟停是由正負(fù)脈沖來控制,非常適用于沒有交流電的場合。整個(gè)系統(tǒng)由智能太陽能充放電管理系統(tǒng)供電,供電系統(tǒng)由光伏板、鉛酸蓄電池和太陽能充放電管理電路組成。為了節(jié)省功耗,系統(tǒng)運(yùn)行完規(guī)定的任務(wù)之后便進(jìn)入休眠模式,直到有事件將其喚醒。通過幾個(gè)月的試驗(yàn)表明,蓄電池在充滿電后能持續(xù)運(yùn)行半個(gè)月左右。1.3協(xié)調(diào)器控制流程該系統(tǒng)軟件是基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)。Z-Stack協(xié)議棧為用戶寫好了協(xié)議部分的代碼,只需開發(fā)人員把主要精力投入在應(yīng)用層開發(fā)即可,省去了開發(fā)底層協(xié)議的繁瑣工作。Z-Stack以操作系統(tǒng)的形式給出,系統(tǒng)中所有的操作被定義為任務(wù)或事件。協(xié)調(diào)器通過一系列的初始化之后建立網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)建立之后協(xié)調(diào)器只負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后循環(huán)執(zhí)行兩個(gè)任務(wù),一個(gè)是每隔10s向協(xié)調(diào)器發(fā)送一個(gè)心跳包,上位機(jī)通過統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間段內(nèi)收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量感知傳感器節(jié)點(diǎn)是否在線。另一個(gè)任務(wù)是每隔0.5h向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)報(bào)告一次土壤含水率。探頭檢測到的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過處理后變成含水率,然后經(jīng)RS485通信電路發(fā)往CC2430,CC2430通過預(yù)先設(shè)定的控制策略判斷是否執(zhí)行開關(guān)閥門的動(dòng)作。如圖4所示,協(xié)調(diào)器啟動(dòng)之后便進(jìn)行初始化無線電通道、短地址、串口設(shè)備、操作系統(tǒng)等操作,緊接著定義配置文件和注冊(cè)節(jié)點(diǎn),然后就可以啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò),Z-Stack是以操作系統(tǒng)的形式出現(xiàn)的,完成組網(wǎng)和硬件初始化工作后協(xié)調(diào)器不斷查詢操作系統(tǒng)有否事件發(fā)生,一旦查詢到有事件發(fā)生便去執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的大體流程基本相同,路由器節(jié)點(diǎn)比協(xié)調(diào)器多執(zhí)行2個(gè)任務(wù):1)向協(xié)調(diào)器發(fā)送心跳包;2)向協(xié)調(diào)器發(fā)送節(jié)點(diǎn)含水率與電磁閥狀態(tài)。2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)測上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境為Visualstudio2008軟件,軟件界面(如圖5所示)中可以了解網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的IEEE地址、網(wǎng)絡(luò)地址、父節(jié)點(diǎn)IEEE地址、RSSI接收信號(hào)強(qiáng)度、含水率采集時(shí)間、傳感器含水率、閥門狀態(tài)等信息。上位機(jī)軟件具有以下功能:即時(shí)數(shù)據(jù)采集、閾值設(shè)置、開關(guān)閥門、傳感器標(biāo)定、灌溉時(shí)間設(shè)置、節(jié)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)圖表顯示以及用水量統(tǒng)計(jì)。另外還可以查詢?cè)摼W(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了方便日后軟件的更新。軟件當(dāng)中還加入了空中下載功能,只需在上位機(jī)軟件當(dāng)中適當(dāng)配置之后就可以更新原節(jié)點(diǎn)當(dāng)中的程序鏡像,更新后節(jié)點(diǎn)從鏡像指定的啟動(dòng)代碼處開始執(zhí)行新的程序。3設(shè)置網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為了驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo),本研究選取一塊約為300m×450m區(qū)域作為試驗(yàn)場地(位于北京市昌平區(qū)前藺溝村現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地)。通過大量試驗(yàn),最終得出節(jié)點(diǎn)高度為1.5m時(shí),通信質(zhì)量較穩(wěn)定。因此,下面的試驗(yàn)均選取這個(gè)高度作為網(wǎng)關(guān)及節(jié)點(diǎn)的放著高度。在場地中放置10個(gè)功能節(jié)點(diǎn),一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)功能節(jié)點(diǎn)下接2個(gè)土壤水分傳感器,分別檢測距地表8和20cm處的土壤含水率。3.1網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)/節(jié)點(diǎn)間距離通信距離測試分為單點(diǎn)通信距離測試和組網(wǎng)通信距離測試。單點(diǎn)測試時(shí)只開啟網(wǎng)關(guān)和一個(gè)測試節(jié)點(diǎn),從相距50m開始依次加大測試節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的距離,直至二者相距300m,測試節(jié)點(diǎn)每隔10s向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)包,記下1h內(nèi)(總共發(fā)送360幀數(shù)據(jù)包)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量,得圖6中單點(diǎn)傳輸距離曲線。組網(wǎng)通信測試時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都打開,仍然是從相距50m開始依次加測試節(jié)點(diǎn)之間及測試節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的距離,直至兩兩相距300m,測試節(jié)點(diǎn)每隔10s向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)包,記下1h內(nèi)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)包數(shù)量,得圖6網(wǎng)絡(luò)傳輸距離曲線。單點(diǎn)測試試驗(yàn)中,網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與測試節(jié)點(diǎn)距離為120m時(shí)接收數(shù)據(jù)包347個(gè),成功率為96%;距離為300m時(shí)接收數(shù)據(jù)包325個(gè),成功率為90%。組網(wǎng)測試試驗(yàn)中,節(jié)點(diǎn)間距離120m時(shí)接收到336個(gè)數(shù)據(jù)包,成功率為93%;節(jié)點(diǎn)距離為300m時(shí)接收數(shù)據(jù)包307個(gè),成功率為86%。由圖6中可以看出組網(wǎng)距離小于單點(diǎn)測試距離,這是因?yàn)榻M網(wǎng)后整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包,造成路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷加大,從而導(dǎo)致產(chǎn)生丟包現(xiàn)象。但在組網(wǎng)距離為300m時(shí),即使數(shù)據(jù)包接收率為90%,也能很好地滿足工程需要。3.2接收來自國內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)的幀數(shù)據(jù)路由節(jié)點(diǎn)每10s向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)包,每天工作8.5h,一共3060幀數(shù)據(jù)包。以下是協(xié)調(diào)器在從2010-05-18-2010-07-11每天接收來自距離自身300m處的2個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀數(shù)量。06-04、14、17、07-09這幾天是強(qiáng)降雨天氣,1號(hào)節(jié)點(diǎn)接收成功率為85%、83%、84%、84%;2號(hào)節(jié)點(diǎn)接收成功率為85%、82%、83%、85%。其余時(shí)間段數(shù)據(jù)包接收成功率都能達(dá)到86%以上,由此可以看出大雨天氣會(huì)影響無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。3.3電磁閥運(yùn)行效果試驗(yàn)時(shí)將每個(gè)節(jié)點(diǎn)底下掛載2個(gè)土壤水分傳感器,距地表分別為8cm和20cm。當(dāng)檢測到上層傳感器的含水率低于設(shè)定的閾值時(shí)控制系統(tǒng)開啟電磁閥,20min(可根據(jù)植被和土質(zhì)不同自行設(shè)著)后關(guān)閉電磁閥等待水分下滲5min后再檢測20cm處含水率是否低于設(shè)定的閾值,如果低于設(shè)定閾值就繼續(xù)啟動(dòng)電磁閥。從2010-05-2010-07運(yùn)行效果(如圖8所示)來看,8cm處傳感器含水率小于20cm處傳感器含水率,且上層的變化波動(dòng)大于下層變化波動(dòng)。由圖7看出,06-4、14、17、07-09幾次降雨后含水率升高也很好的體現(xiàn)出來了,由于有了電磁閥的介入,整個(gè)灌溉區(qū)域內(nèi)的含水率大概維持在一個(gè)范圍之內(nèi),這個(gè)范圍可以根據(jù)植物生長的各個(gè)階段對(duì)水的需求量靈活設(shè)置,這也是該系統(tǒng)的特點(diǎn)之一。從觀測數(shù)據(jù)來看,該系統(tǒng)對(duì)土壤墑情的監(jiān)控是準(zhǔn)確可靠的。5網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)測試本文基于CC2430、CC2591和Z-Stack,設(shè)計(jì)了一套由太陽能供電的無線土壤