硕士学位论文-基于ZigBee和GPRS的远程果园智能灌溉系统的设计与实现.pdf

山东农业大学 硕士学位论文 基于zigbee和gprs的远程果园智能灌溉系统的设计与实现 姓名：郎需强 申请学位级别：硕士 专业：农业电气化与自动化 指导教师：侯加林；刘庆印 2011-06-12 山东农业大学硕士学位论文 1 中文摘要 21 世纪水资源变成一种宝贵的稀缺资源， 水资源问题已不仅仅是资源问题， 更是关 系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。中国是一个水资源严重短 缺的国家，最近我国北方和西南地区遭遇了几十年不遇的干旱天气，使全国的受旱面积 多达数百万公顷，为我们敲响了节约用水的警钟。因此采用高效的智能化节水灌溉技术 势在必行，这不但能够有效缓解用水压力，同时也是发展精细农业和实现现代化农业的 要求。 随着现代无线通讯技术的发展和普及，作为无线传感器网络中的一种协议标准， zigbee 技术日渐成熟，以其优良的性能为众多的近距离无线通信应用领域提供了低成 本、低功耗、高可靠性的解决方案。gprs 技术逐步完善，它的覆盖区域也日益增大， 几乎可以分布到所有人类居住的地方。它的维护费用比较低，安装方便，易于实现远程 数据的采集和设备的控制 本文就是利用 zigbee 组成的无线传感器网络和 gprs 无线通信技术构成的大范围 远程数据采集系统，结合土壤水分传感器、零压启动电磁阀实现基于 web 数据管理的 果园土壤旱情的远程自动监测记录以及智能化灌溉， 实现了果园土壤墒情的全自动监测 和智能化节水灌溉。 本文主要研究内容如下：首先，通过研究国内外现状，结合中国国情提出了我们系 统的总体设计方案；其次，对 zigbee 无线网络子节点进行了详细设计，并设计完成了 各个模块的电路，并对传感器的数据做了进一步校准；第三，完成了 gprs 数据协议的 解析和 sql 数据库的搭建；第四，开发了基于 asp.net 2.0 的 web 网络服务程序，实 现了客户端与服务器数据的友好交互；最后，在肥城国家果树中心试验基地完成了整个 系统安装和调试工作，经过近 1 年的实际运行测试，结果表明基于 zigbee 和 gprs 的 远程灌溉系统适合于果园灌溉的智能监测与控制。 关键词：远程监控；zigbee传感器网络；gprs；智能灌溉 基于 zigbee 和 gprs 的远程果园智能灌溉系统的设计与实现 2 abstract water are turning into a kind of scarce resources in the 21st blems of water are not only the problem of source, but also the important strategic issue related to national relationship ,sustainable development of society and stability. china is a country of serious shortage of water resources. recently north and southwest of china suffered a drought that decades in. the national sedimentation area reaches millions of hectares. this knocked on a warning of water saving. efficient automation control irrigation technology are needed. this can not only relieves water pressure effectively but also develops fine agriculture and modern agriculture. with the development of wireless communication technology, zigbee are growing mature. zigbees excellent performance provides low cost, low power consumption, high reliability solutions for close wireless communication.gprs are gradually perfect the coverage area is also increasing. almost can be distributed into any place humans live.its maintenance costs is low. the installation is convenient.it is easy to realize remote data acquisition and equipment control. this paper use wireless sensor network consists of zigbee and wireless communication technology of gprs to constitute the remote data acquisition system. this system can realize remote automatic monitoring and intelligent irrigation for drought of orchard soil. it can also realize automatic monitoring and intelligent irrigation for orchard soil moisture content. this paper mainly study the content as follows:firstly, we put forward the design of the whole system solutions with chinas national conditions. secondly, we do a detailed design of zigbee wireless network sub- domain node; thirdly,completed protocol analytical of gprs data and construction of sql database; fourth, developed web network service program based on 2.0, and we realized the client and server data friendly interaction; finally,we finished the installation and debugging of system in experimental base of national fruit trees center in feicheng city . after nearly one years test the results showed that remote irrigation system based on zigbee and gprs is fit for orchards irrigation intelligent monitoring and control. keywords: remote monitoring; zigbee sensor networks; gprs; intelligent irrigation 关于学位论文原创性和使用授权的声明 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研究所取得 的成果。 对在论文研究期间给予指导、 帮助和做出重要贡献的个人或集体， 均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定， 同意学 校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电子版， 允许论 文被查阅和借阅。 本人授权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：_ 导 师 签 名：_ 日 期：_2011.6.12_ 山东农业大学硕士学位论文 3 1 引言 1.1 课题研究背景 21 世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题己不仅仅是资源问题， 更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。基于此种情况采 用节水、节能的智能灌溉方法已成为全世界灌溉技术发展的总趋势，推广使用智能化节 水灌溉也已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择(张磊， 2009)。 我国是全球人均占有水资源贫乏的国家之一， 虽然总体水量较多， 但人均明显不足， 而且各条河流污染严重，许多土地都处于缺水少水的状态。随着全球性环境的恶化和水 资源的短缺，与人类生存密切相关的干旱问题显得日益突出。同时，我国农业耕种面积 较大，工业发展对水资源存在着巨大需求，致使我国很多地区和城市都出现了不同程度 的缺水现象，给人们的日常生活带来众多不便，同样这也严重制约着我国经济的发展与 社会的进步。 在这样水资源严重短缺的情形下，目前我国大部分地区还仍然停留在人工监测旱 情，决定灌溉与否仅凭个人经验，这样就会造成更严重水资源浪费。近年来，随着现代 农业的发展，农业经营模式正在向大型化、集约化方向发展。这样就为推广全面、统一、 大型、智能化灌溉系统提供了必要条件。现在已经实现大面积种植的就是果园农业，因 此我们设计和实现了一套针对大型果园的智能化检测和灌溉系统。 zigbee 作为一种新兴的无线通信技术，具有短距离、低速率、低功耗、高可靠性等 特点，同时工作于国际免费频段、具有网络自动组织功能，非常适合多点，大范围数据 传输。gprs 可以把远程数据终端与 internet 数据服务器通过移动、联通基站进行远程 数据交互，实现远程数据的采集和设备的控制。 结合以上的条件和因素，本课题提出了利用单片机、土壤水分传感器、零压启动电 磁阀和 cc2430 组成 zigbee 无线传感器网络，进行大范围多点数据采集，通过 gprs 数据终端，把数据信息传送到 internet 数据服务器。用户可通过 ie 浏览器浏览采集到的 数据信息，也可以通过 ie 浏览器传送命令给 gprs 数据终端，终端再传送到对应的无 线传感器网络节点，节点结合零压启动电磁阀实现远程智能灌溉控制。 1.2 国内外研究现状 随着现代电子工业不断进步，使得微电子技术与机电一体化、计算机信息技术和自 动控制、航空航天等高新技术在不断的应用于智能灌溉领域，给高效果园智能节水的灌 基于 zigbee 和 gprs 的远程果园智能灌溉系统的设计与实现 4 溉技术插上了腾飞的翅膀，使精确灌溉技术逐渐成为现代灌溉农业的主体。果园智能节 水灌溉在世界各国的农业中已经占据了重要地位，尤其是近几年连年出现的大旱天气， 使得实施智能节水灌溉任务变得重之又重， 但是由于技术设备的研制开发是一项长期艰 巨、复杂的任务，因此更尖端、更高效设备需要好几代人的努力（李晓东，2007） 。国 外智能节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，人工成本高，所以与智能节水灌溉相 配套的自动控制系统也较完善和先进。中国在这方面与他们相比就远远落后了，在中国 由于起步时间比较晚、人工成本低使得大型智能灌溉系统得不到很好的推广，因此制约 了这方面的发展，现有的智能灌溉系统大多是依赖于国外进口(朱德兰，2001)。 美国，早在 1984 年 benami 和 offen 开发了一套节水灌溉控制器，通过监测土壤水 分来确定是否打开灌水阀门。phene(1973)、phena 和 howell(1954)，phena(1989)分别在 灌溉系统的控制中使用了土壤湿度传感器， 通过土壤湿度传感器把土壤湿度信息反馈给 控制系统，再根据传感器获得的数据决定是否灌溉，使作物根部总能保持一定的湿度。 他们所设计的控制系统经运行表明， 控制系统运行参数的好坏主要取决于四个因素系统 的硬件设计、控制系统所采用的算法、土壤湿度传感器的可靠性、螺旋形电磁阀和压力 调节装置以及流量计、过滤器等设备的性能。鉴于当时传感器技术的发展现状和当时技 术水平此套系统没有达到预期效果，因而也没有大范围的推广。随着技术的不断发展， 许多专业做灌溉系统的公司逐渐兴起，最具代表性的是美国的雨鸟、亨特，这两个公司 生产的产品已经走在了世界的最前沿，以雨鸟 esp- 4m 系统为例，主要性能包括：可升 级性，模块控制器基本型为 4 站，通过增加每单元 3 战的模块，可简单将控制器扩展为 7、10、13 站控制器，实现了大面积的智能化节水灌溉（章军富，2010） 。 据美国自来水协会统计，通过安装智能灌溉系统，美国人每年能够节省大约 8520 亿升水，这些水每年都因过度浇溉而被浪费，而智能灌溉系统可以帮助人们为植物提供 合适数量的水（丁宝莹，2004） 。但是现阶段美国还有 4,500 万个仅是安有简易计时器的 灌溉系统，它们在时间控制上还可以，但精准度不高。spain 称，城市灌溉系统占城市 用水的 58%，这些被浪费的水资源每年生产 54.4 万吨温室气体。 以色列是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家， 目前他们全国农业土地基本上 实现了灌溉管理的智能化和自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥 等直接送入作物根部，水资源利用率相当高。在以色列，已经出现了在家里利用电脑对 灌溉过程进行全程控制的灌溉系统，可以远程设定灌溉间隔时间，操作方便。由于引进 先进的传感器技术，因此对灌溉过程的控制可达到相当高的精度。现在他们也正在着力 山东农业大学硕士学位论文 5 解决把空间信息技术、计算机技术和网络技术等高新技术应用到大型灌溉系统中（许一 飞，1998） 。 加拿大、 澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发成功并形成系列的灌溉控制器产 品，其中比较有代表性的是澳大利亚公司的灌溉控制器，已形成了多个系列，几十种型 号的产品。其中系列成本较低，是一种小型化自动灌溉控制器，主要是面对家庭庭院和 小面积的商业绿化场地的灌溉。该系统采用分布式结构，可与上位机双向通信，用微机 对其进行编程操作和对其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状 况。 国内在开发灌溉自动控制系统方面现在还仅处于研制试用阶段， 能实际投入应用且 应用较广的灌溉控制器还不多见。 从上世纪七十年代引进墨西哥滴灌设备开始， 在引进、 消化、吸收国外先进技术的基础上，结合我国的国情，本着经济实用，易于安装和便于 推广的精神，在全国水利、农业、轻工、农机等主要部门和科研院所、高等院校、灌溉 企业及各地有关部门的密切合作和共同努力之下，灌溉技术的开发、设备研制生产和科 学试验等方面都取得了一定的成果（李铁男，2000） 。 在国内开发能在实际推广应用的产品中最具代表性的是中国农业机械化研究院联 合多家单位研制的智能型温室自动灌溉施肥系统。该系统是在国家“九五”科技攻关项 目中自主研发的科技产品，该系统结合我国温室的环境和实际使用特点，以积木分布式 系统结构原理，解决了计算机实时闭环控制、动态监测、控制显示中文、施肥泵混合比 可调、电磁阀开度可调等关键技术问题。 2007年郑重等人提出一种基于gsm技术和fsk技术的农田水分检测与决策支持系 统，通过 fsk 调制技术来实现不同采集单元间的分布式数据通讯，该系统可以将采集 到的数据通过 gsm 网络传到 pc 监控器，并通过水分传感器测得土壤中水分含量并将 测得的结果以 sim 卡短信形式发送至用户手机， 为农田的信息化管理提供技术支持。 该 系统能够实现农田水分实时检测、数据的无线远程传输（郑重，2007） 。 2008 年靳广超等人应用 zigbee 技术实现土壤墒情检测系统，该系统可以实时的监 测土壤中的温度和湿度，为喷灌和滴灌提供可靠的信息，适合土壤墒情检测的需要（靳 广超，2008） 。 1.3 课题主要研究内容 基于 zigbee 和 gprs 的远程果园智能灌溉系统的整体方案设计。 基于 zigbee 和 gprs 的远程果园智能灌溉系统的设计与实现 6 完成传感器的选型和硬件电路和供电系统设计。 选取 zigbee 无线模块，完成 zigbee 无线网络的拓扑结构以及路由算法的设计， 实现子节点模块自动组网传输数据。 选取 gprs 模块，了解 ppp 拨号程序和 tcp/ip 协议，实现数据向远程服务器的 无线传输。 编写 web 网络服务程序，实现客户端和服务器之间的数据交互。 1.4 论文组成部分 本论文可以分为六个部分： 第一章为绪论，讨论了本课题研究的背景和意义，了解实现远程智能灌溉系统的必 要性，并结合国内外现阶段技术发展提出自己的想法和课题研究的主要内容。 第二章介绍整个系统的组成部分详细阐述了我们这个系统的整体流程、 不同方案之 间的比较和最终方案的确立。 第三章介绍了系统的整体设计包括硬件的筛选和无线传感器子节点主程序的流程。 第四章详细介绍了 zigbee 无线网络传感器的组成和 zigbee 无线通信协议构成，并 着重介绍了 zigbee 无线射频模块（cc2430）的设计和开发。 第五章给出了 gprs通信方面的优势和通信协议以及我们选用的gprs dtu(609g) 配置。除此之外还介绍 gprs dtu 服务器软件设计和 sql 数据库的开发。 第六章我们详细阐述了基于 asp.net 的互联网动态网页的设计和开发。 第七章介绍我们的系统调试的整个过程和系统运行测试结果。 第八章就是我们在做这个课题过程中收获的知识。 2 总体方案的确立 现在农业智能化灌溉正逐步成为解决频繁出现的干旱问题关键技术， 在本系统中我 们采用的滴灌控制、信息反馈、无线传感器网络和远程数据采集、控制与一体的自动化 控制系统，其中主要包括了无线传感器网络、远程数据传输、internet 数据服务器程序 开发几个部分。 2.1 无线传感器网络 现在随着信息的多元化，在一个系统中会包含多种传感器。每个传感器的信息都要 通过单独的通信线路与主控 cpu 进行数据交换，这样在很大程度上加大了整个系统的 山东农业大学硕士学位论文 7 复杂度和成本，更降低了系统的稳定性。在有的大型控制系统中信息传感器的分布十分 广导致无法或者很难实现有线信息连接。因此一种集传感器、控制器、计算能力、通信 能力于一身的嵌入式设备，可以跟外界物理环境交互，将收集到的信息通过传感器网络 传送给其它的计算设备的无线传感器技术应运而生（曾鹏等，2004） 。 无线网络传感器（wireless sensor networks，wsn）的研究起始于 20 世纪 90 年代 末期。无线传感器网络在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物 监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值，随着这些领域技术突飞 猛进的发展无线传感器技术也取得了巨大的发展尤其是近 20 年来发展尤为迅速，在更 多的领域显示出了它的巨大作用。1999 年 9 月，美国著名的 business week 将其列为 21 世纪最重要的技术之一。 典型的无线网络传感器主要包括分布式的无线网络传感器节点、汇聚节点、internet 主控制器如图 2- 1 所示。在大部分的无线网络传感器组成中，每一个传感器节点有一个 很小的发射范围， 但是汇聚节点具有较强的发射功率可以把每一个子节点数据信息进行 汇总并且能把收集到的信息传送到远程控制节点。 图 2-1 无线传感器网络结构示意图 fig. 2- 1 structure schematic of wireless network sensor 传感器的网络节点数目非常庞大，通常不能采用可重复利用的电池提供能量；传感 器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个 传感器网络的健壮性和生命周期（崔莉，2005） 。因此在整个系统的设计中对无线传感 器网络节点的设计尤为重要，尤其是采用太阳能供电系统，传感器网络节点大致可以分 为以下几个模块，如图 2- 2 所示。 基于 zigbee 和 gprs 的远程果园智能灌溉系统的设计与实现 8 图 2-2 硬件组成结构示意图 fig. 2- 2 hardware structure schematic drawing 2.2 远程数据交互 在本系统中采用的 gprs 数据终端与 internet 数据服务器通过移动/联通基站进行连 接，实现一对一的数据交互，这样就可以避免远程有线网络布线及维护成本高。所谓的 gprs 就是通用分组无线服务技术（general packet radio service)的简称，它是 gsm 移 动电话用户可用的一种移动数据业务是 gsm 的延续。gprs 和以往连续在频道传输的 方式不同，是以封包（packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单 位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。gprs 的传输速率可提升至 56 kbps 甚至 114kbps（伍连民，2009） 。 图 2-3 系统信息传递流程示意图 fig. 2- 3 transfer process of system information sensor 果园智能灌溉系统的流程如图 2- 3 所示。 由电磁阀、 土壤水分传感器和 zigbee 数据 电磁阀 水分传感器 子节点 主节点 移动基站 互联网 服务器端 山东农业大学硕士学位论文 9 传输模块组成无线网络传感器节点， 负责采集土壤中的水分数据和控制灌溉系统的工作 状态。数据信息通过 zigbee 无线传感器网络传送给一个带有 gprs 模块的 zigbee 主节 点再通过移动/联通基站汇集到互联网上。 这样我们就实现了远程数据和数据服务器的交 换。客户端就可以通过互联网访问数据服务器，查看和控制远程的无线网络节点数据和 工作状态。 2.3 internet 数据服务器程序开发 我们采用的 internet 数据服务器是架构在 widows server 2003 操作系统上的，数据 服务器软件分三部分： msever 控制台、 数据存储后台程序和 web 动态网页开发。 msever 控制台即无线通信服务软件， 是无线数据终端与用户控制端进行连接的枢纽和进行相互 通信的桥梁。mserver 实现了 tcp/ip 协议的解析和数据在虚拟串口上的映射。数据储存 后台服务程序是整个系统数据储存的核心，它负责把 mserver 解析出的数据信息存储在 本地服务器上的数据库中，并且实现了动态扫描数据库，把扫描出来的命令信息通过 mserver 送达各相应的控制节点。web 动态网页开发实现客户端通过互联网浏览服务器 上的数据。 internet数据服务器动态网页由vs2003和microsoft.net3.0编写，动态网页开发包括： web数据管理和internet网络应用两个部分。web数据管理是基于sql server2000设计实 现的，sql server2000对数据的管理提供了完美的接口，使得开发周期大大缩短。并且 对系统的稳定性有良好的保障。 internet网络应用程序中动态网页的数据浏览我们采用的 是zedgraph 控件实现，这个控件可以根据任意数据集创建2d曲线、bar、和pie图。 zedgraph具有高度的灵活性，可以定制图形的每个方面。我们就是通过它来实现每一块 果园中的土壤水分数据曲线的绘制。用户可以更直观和方便的通过ie浏览gprs传输到 服务器的远程数据，并且也能通过浏览器发送控制命令到服务器，实现对果园灌溉的智 能化检测和控制。 3 智能灌溉系统的设计 3.1 硬件选型 3.1.1 系统硬件的组成部分 整个无线传感器网络是由许多网络传感器子节点组成的，每一个子节点包括：土壤 水分传感器、供电系统、cc2430(zigbee 无线网络模块)、零压启动电磁阀，在主 zigbee 节点上还带有 gprs dtu 用于和互联网进行数据通信整体的结构如图 3-1 所示。 基于 zigbee 和 gprs 的远程果园智能灌溉系统的设计与实现 10 主控制器cc2430 供电系统 土壤水分传 感器 零压启动电磁阀 zigbee无线路由 网络 gprs dtu (主节点) 图 3-1 网络子节点硬件组成结构示意图 fig. 3-1 hardware structure schematic of network child nodes sensor 系统主控制器采用的是单片机作为主控芯片， 供电系统是由两块 12v 的蓄电池进行 供电，由两块 12v15w 的太阳能电池板给蓄电池充电。单片机通过土壤水分传感器采集 土壤中的水分数据，并读取自己片内非遗失性数据储存器中的上下限数据和控制模式， 得出控制结果控制零压启动电磁阀实施滴灌操作，并且它还通过由 cc2430 组成的无线 传感器网络和 gprs dtu 与 internet 进行数据连接，把采集到的数据传送给互联网，同 时接收由互联网传送回来的数据命令。在系统中它还可以设置定时定量灌溉程序，更方 便在实际应用中进行精准化灌溉。 3.1.2 主控制器的选择 系统中我们选择主控制器芯片的时候需要考虑整个系统的功耗要低， 并且有非易失 性的程序和数据存储器方便数据的掉电存储， 要集成内部基准电压源和adc数据转换器 并且还能在程序中对采集到的传感器数据进行快速乘法运算， 这样就减少了系统的外围 器件增强系统的稳定性。介于这些条件我们又综合了成本考虑，选用了atmel公司的8 位系列单片机的最高配置的一款单片机atmega128。 atmel公司于1997年推出了采用先进rsic结构，avr单片机系列其性能比8051更 加优越的。特别是近几年里推出的avr高档mega系列的单片机，atmega128在结构、 性能、可靠性等方面都独具特色，在8位高档单片机中堪称佼佼者(atmage128.2467v)。 其特点如下： 先进的 risc 结构。 工作于16 mhz时性能高达16 mips，只需两个时钟周期的硬件乘法器，133 条 指令大多数可以在一个时钟周期内完成。 非易失性的程序和数据存储器， 其片内带有128k字节的系统内可编程flash寿命: 10,000次写/ 擦除周期。4k字节的eeprom寿命: 100,000次写/ 擦除周期。具有独立锁 山东农业大学硕士学位论文 11 定位、可选择的启动代码区通过片内的启动程序实现系统内编程真正的读、修改、写操 作。 6 种省电模式，空闲模式、adc 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、standby 模式以及扩展的 standby 模式。可以通过软件进行相应的配置，充分降低系统的能耗。 其中adc 噪声抑制模式可以是在所有io和cpu停止工作的情况下实现ad数据采集， 这样既可以大大减少自己本省带来的信号干扰，整个系统的最小系统图如图 3-2 所示。 pen 1 pe0 (rxd0/pdi) 2 pe1 (txd0/pdo) 3 pe2 (xck0/ain0) 4 pe3 (oc3a/ain1) 5 pe4 (oc3b/int4) 6 pe5 (oc3c/int5) 7 pe6 (t3/int6) 8 pe7 (ic3/int7) 9 pb0 (ss) 10 pb1 (sck) 11 pb2 (mosi) 12 pb3 (miso) 13 pb4 (oc0) 14 pb5 (oc1a) 15 pb6 (oc1b) 16 pb7 (oc2/oc1c) 17 pg3/tosc2 18 pg4/tosc1 19 reset 20 vcc 21 gnd 22 xtal2 23 xtal1 24 pd0 (scl/int0) 25 pd1 (sda/int1) 26 pd2 (rxd1/int2) 27 pd3 (txd1/int3) 28 pd4 (ic1) 29 pd5 (xck1) 30 pd6 (t1) 31 pd7 (t2) 32 pg0 (wr) 33 pg1 (rd) 34 pc0 (a8) 35 pc1 (a9) 36 pc2 (a10) 37 pc3 (a11) 38 pc4 (a12) 39 pc5 (a13) 40 pc6 (a14) 41 pc7 (a15) 42 pg2 (ale) 43 pa7 (ad7) 44 pa6 (ad6) 45 pa5 (ad5) 46 pa4 (ad4) 47 pa3 (ad3) 48 pa2 (ad2) 49 pa1 (ad1) 50 pa0 (ad0) 51 vcc 52 gnd 53 pf7 (adc7/tdi) 54 pf6 (adc6/tdo) 55 pf5 (adc5/tms) 56 pf4 (adc4/tck) 57 pf3 (adc3) 58 pf2 (adc2) 59 pf1 (adc1) 60 pf0 (adc0) 61 aref 62 gnd 63 avcc 64 u1 atmega128-16ai pe2 pe3 pe4 pe5 pe6 pe7 pd4 pd5 pd6 pd7 1 2 p9 header 222 c3 22 c6 1k r1 10uh l1 100pf c1 100pf c2 100pf c4 100pf c5 1 2 p11 header 2 1 2 3 4 5 p10 header 5 s9 sw-pb vcc 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 p5 header 8x2 xtal1 xtal2 reset reset pf0 pf1 pf2 pf3 pf4 pf5 pf6 pf7tdi tdo tms tck rxd1 txd1 rxd0 txd0 vcc avcc aref pg0 pg1 pg2 pg3 pg4 int0 avcc vccvcc sensor0 sensor1 sensor2 sensor3 sensor4 sensor5 sensor6 sensor7 ispcsn led0 led1 led2 led3 led4 led6 led5 led7 ispce ispmiso ispsck ispirq ispmisq 图 3-2 atmagle128 最小系统 fig. 3-2 atmagle128 smallest system 3.1.3 引脚的配置及其功能 pa0-pa7 为土壤水分传感器接口， 它是单片机的 ad 接口可以采集外围电路的模拟 基于 zigbee 和 gprs 的远程果园智能灌溉系统的设计与实现 12 量，在我们现在的系统中一个子节点配置了 4 个土壤水分传感器，多余的是为了今后系 统扩展。 pc0-pc5 为 spi 接口，与 cc2430 模块进行数据通信，实现主控制器与 zigbee 无 线网络的数据传输。串行外围设备接口 spi 总线技术是一种同步串行接口，其硬件功能 很强，移植 spi 协议相当简单，使 cpu 有更多的时间去处理其他事务。并且 spi 总线 的通信速率最高可以达到 40m。 pf4-pf5 为单片机的 jtag 口，通过 usb jtag 结合 avr studio 软件可以方便的 实现程序的下载和在线调试。 xtal 口是系统的晶振引脚，我们采用的是插针的形式方便的实现了工作频率的切 换。 3.1.4 土壤水分传感器选择 土壤水分是植物吸收水分的主要来源，它是反映当前土壤需水量的重要指标。如果 要进行快速精准化灌溉必须需要一种实时、精准的传感器获取当前土壤中的水分数据， 并把这些数据信息转化成电压信号供给主控制器。主控制器再通过自身的阀值判断，推 断出当前土壤中的水分含量执行相应的操作，并且把数据通过 zigbee 无线网络传送给 gprs 数据终端再由其汇总的 internet 数据服务器。zigbee 子节点对信息的采集流程如 图 3-3 所示。 果园种植农作 物 土壤湿度传感 器 数据零点漂移 校正 零压启动电磁 阀 电磁阀驱动电 路 中央处理器 （mcu） 灌溉 图 3-3 土壤水分数据采集和控制灌溉流程示意图 fig. 3-3 soil moisture data acquisition and control irrigation flow diagram 土壤水分的盈缺对作物生长有着最直接的影响，为了有利于作物生长发育，必须将 土壤水分较长期的控制在一定的范围之内。土壤湿度传感器的选用要能够快速、准确地 测定农田土壤水分，以便适时作出灌溉措施。土壤水分传感器的精度和可靠性决定着整 个系统的性能，因此选用合适的传感器尤为重要，我们通过实际测试和性价比较最终选 用了北京惠泽农科技有限公司的 swr-3 土壤水分传感器如图 3-4 所示。 swr-3 土壤水分传感器是一款高精度、 高灵敏度的测量土壤水分的传感器。 通过测 山东农业大学硕士学位论文 13 量土壤的介电常数，能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。它是利用驻波率原理 的高频电子技术，测量土壤的表观介电常数，从而确定土壤容积含水量。测量时，传感 器产生 100mhz 的高频电磁波，电磁波沿传输线进行传播，在末端经过周围有土壤介质 的探针的反射在传输线上形成驻波， 驻波的电压随着探针和周围土壤介质阻抗的变化而 变化，通过测量传输线两端的电压差即可测出土壤的表现介电常数，从而测出土壤的容 积含水量（赵燕东，2005） 。其主要特点为： 高稳定性，安装维护操作简便。 支撑的材料为 abs 工程塑料，强度和寿命得到保证。 密封性好，可长期埋入土壤中使用，且不受腐蚀。 采用标准的大功率电压环传送技术使其具有抗干扰能力强，测量精度高，响应 速度快。 土质影响较小，应用地区广泛，价格低廉，适合中国国情。 图 3-4 土壤水分传感器 fig. 3-4 soil moisture sensor 该传感器工作电压：4.55.5 vdc，典型值 5.0 vdc，工作电流：5070ma，典型 值 60 ma，输出信号：02.5v，量程：0100%（m/ m） ，精度：050%（m/ m） 范围内为2%（m/ m）通电之后的稳定时间约为 10 秒，并且响应在 1 秒内进入稳态过 程。它的最远通信速率可以达到 20mm，完全满足我们的应用要求。 基于 zigbee 和 gprs 的远程果园智能灌溉系统的设计与实现 14 3.1.5 水分传感器数据校正 表 3-1 土壤水分传感器校正数据 tab. 3-1 soil moisture sensor calibration data 土壤不同酸碱度和加工工艺的不同往往会造成传感器一致性的差别。 为此我们在订 购产品的时候要求厂家选择统一加工流程确保传感器的一致。 接下来我们把这些传感器 做了随机取样进行数据标定。标定的方法我们选用的是风干土样水分测定法，我们经过 多次试验测定出了如表（3-1）所示的数据。 图 3-5 土壤水分传感器数据校正曲线 fig. 3-5 calibration curve of soil moisture sensor data v（v) （m/m） v（v) （m/m） 0.05 0 0.8 0.107 0.1 0.004 0.85 0.112 0.15 0.015 0.9 0.119 0.2 0.026 0.95 0.125 0.25 0.035 1 0.132 0.3 0.044 1.05 0.139 0.35 0.051 1.1 0.147 0.4 0.059 1.15 0.156 0.45 0.066 1.2 0.165 0.5 0.072 1.25 0.175 0.55 0.078 1.3 0.186 0.6 0.084 1.35 0.198 0.65 0.09 1.4 0.211 0.7 0.095 1.45 0.226 0.75 0.101 1.5 0.241 山东农业大学硕士学位论文 15 通过参考文献我们知道这些数据在量程范围内遵循 3 次曲线， 我们采用的是 matlab 做的非线性拟合，它拥有一个功能强大的 cftool 曲线拟合工具箱，使用方便，能实现多 种类型的线性、非线性曲线拟合。我们用 matlab r2006a 曲线拟合工具箱做了 3 次 方程的非线性拟合。其中选用幂逼近方式、设置的可信度为 95%，最终我们得出如图 3-5 所示的拟合曲线得到它的回归方程为： 32 ( )0.10340.20570.24550.01242f xxxx=-+- 3.1.6 电磁阀选型 电磁阀是用来控制流体的方向的自动化基础元件， 通常用于机械控制和工业阀门上 面，对介质方向进行控制。在本系统中是控制灌溉系统的开启和关闭。灌溉系统我们采 用的是智能化水塔滴灌系统当水满时离地面的高度为 10 米有较大的压力此时对电磁阀 要求并不高，但是当水塔中的水位降低到 1 米左右时，产生的水压就比较小，无法使普 通的电磁阀正常工作，再加上降落在在电磁阀上的水压降，这样就会大大降低滴灌系统 的工作效率。因此我们需要一种可以在零水压的时候可以进行启动，并且在电磁阀上的 水压降也非常小。因此我们采用的是永嘉县英络克泵阀有限公司生产的 zcw-2 型零压 启动电磁阀。 此电磁阀主要用于常温、中温、零压、常压、中压等场合，使用于灌溉控制、暖通 空调、自来水厂以及环保水处理等行业。它的结构特点有：零水压既能打开主阀，低压 差流量大，适用范围广；采用进口合成橡胶密封材料，寿命长是同类产品的 5 倍以上， 采用德国进口 nass 塑封线圈确保电磁阀的可靠性，防水、防潮，宜适用于长时间通电； 阀体采用黄铜和不锈钢热锻成型、体积小、外形美观等特点。在电气连接上它的工作电 压为 24v （适合于双块蓄电池供电） ， 工作压力在 01.0mpa （完全可以满足零水压启动） ， 工作的介质温度最高可以达到 125。 3.1.7 供电系统选择 供电部分贯穿整个系统工作的始终， 只有保证充足的电量和稳定的电压才能保证整 个系统正常稳定的工作，并且也是实现低功耗的重中之重。我们整个系统采用的是两块 12v12ah 的蓄电池，12v15w 的太阳能电池板。我们采用电荷泵控制器给蓄电池供电 使得在阳光充足的情况下 10 小时可以充满。 整个系统在全负载运行状况可以连续工作 3 天 4 夜。因此在程序运行过程中能够很好的实现电能的收支平衡。我们在实际测试过程 中也很好的验证了这一点，全负荷工作 4 周，在此段时间中有 8 天出现阴天现象。系统 基于 zigbee 和 gprs 的远程果园智能灌溉系统的设计与实现 16 的储电量仍然为 90%以上，供电系统的拓扑结构如图 3-6 所示。 太阳能电池板 蓄电池充电电 荷泵 铅酸蓄电池 电源转换控制 电路 2.56v模拟基准 电源 5v单片机工作 电源 24v电磁阀 12v土壤水分传感 器 3.3v cc2430工 作电源 图 3-6 系统供电系统组成结构 fig. 3-6 power supply system of systems structure 铅酸蓄电池充电用的是太阳能电池板是系统设计的关键， 该部分通过充电电荷泵来 实现太阳能对蓄电池的充电状态的控制， 当太阳能的输出电压与电池电压的电压差小于 20mv 时，电荷泵将进入低功耗休眠状态，充电停止。其中为了降低功耗，避免传感器 和电磁阀同时供电我们增加了电源开关 aat4285，通过 cpu 发送高低脉冲开关来控制 系统不同时间的供电，在不动作时相应的器件均处于低功耗休眠状态。 3.2 无线传感器网络方案选择 3.2.1 采用 wlan 实现无线传感器网络 无线局域网(wireless lan，wlan)就是使用无线连接的局域网。它使用无线电波 作为数据传送的媒介。传送距离一般为几十米。无线局域网第一个版本发表于 1997 年， 其中定义了介质访问接入控制层（mac 层）和物理层。物理层定义了工作在 2.4ghz 的 ism 频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为 2mbit/s。1999 年加上了两个补充版本：802.11a 定义了一个在 5ghz ism 频段上的数据 传输速率可达 54mbit/s 的物理层，802.11b 定义了一个在 2.4ghz 的 ism 频段上但数据 传输速率高达 11mbit/s 的物理层。 2.4ghz 的 ism 频段为世界上绝大多数国家通用， 因 此 802.11b 得到了最为广泛的应用（欧杰峰，2006） 。 但是 wlan 在设备开发和软件编写上都是比较复杂的，每个给网络传感器节点 rf 模块的价格要在好几百美元，它的消耗功率在 1w 左右，这对太阳能电池供电系统来说 是不能接受的。 3.2.2 采用 bluetooth 技术实现无线传感器网络 山东农业大学硕士学位论文 17 蓝牙(bluetooth)技术是一种无线数据与数字通信的开放性规范。它在设备和协议的 复杂度上做了很大的简化，并且现在的蓝牙 4.0 的有效传输距离也有所提升。当前，蓝 牙的有效传输距离为 10 米(约 30 英尺)， 而蓝牙 4.0 的有效传输距离可达到 100 米(约 200 英尺)（李文仲、段朝玉等，2007） 。 然而我们在实际应用的过程中，人们逐渐发现它们其中还存在许多缺陷。比如在进 行工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控过程中功耗大，组网规模太小，必须进行对射 才能提高传输距离等缺点。在应用于大型网络控制系统，特别由电池供电的设备，都希 望在不更换电池并且不充电的情况下，正常工作几个月甚至几年。这些技术远远达不到 设计的要求而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现 场的各种电磁干扰，并且能较大范围的提高通信距离。 3.2.3 采用 zigbee 技术实现无线传感器网络 用 zigbee实现无线传感器网络就是基于 ieee 802.0.4技术标准和zigbee网络协议 而设计的无线数据传输网络。相对于现有的各种无线通信技术，低功耗的 zigbee 技术 是最适合作为无线传感器网络的一种标准。zigbee 技术适合于承载数据流量较小的业 务，特别是传感器网络（bobheile，2004） 。并且 zigbee 网络可以自组织网来通信，对 传输的消息进行动态路由，可以大大的扩充这个系统的覆盖面积。 通常 zigbee 节点所承载的应用数据功耗都比较低,在不需要通信时，节点可以进入 很低功耗的休眠状