基于ZigBee技术的农田灌溉系统的研制-文献综述.doc

精品文档基于ZigBee技术的农田灌溉系统的研制温 磊指导教师：刘士光、马继伟摘要：ZigBee是最近提出的一种近距离、低功耗、低成本、低复杂度、低数据速率的双向无线通信技术，无线网络采用多种类型的配置，由协调器节点（主设备）和多个终端设备（从设备）组成。由Chipcon公司自主研发出的CC2430芯片完全由硬件支持ZigBee技术标准，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。本文主要介绍基于ZigBee技术在农田节水灌溉系统中的系统建立以及分析了当前水利资源、农业灌溉技术的发展形式。关键词：ZigBee 技术；CC2430芯片；节水灌溉；水分传感器；手持式通信器引言我国人均水资源不到世界平均水平的1/4，而且我国灌溉水有效利用率（约为40%）也远低于发达国家水平（约为50%-70%）1。我国农业产业素质和农产品的竞争力与发达国家出现了较大的差距，农业高投入低产出的矛盾已经显现，数字化农业成为发展方向2。充分有效地利用有限的资源，发展节水农业，成为中国农业关注的重点。随着近年来人类在微电子机械系统、无线通信、数字电子方面取得的巨大成就，使得发展低成本、低功耗、小体积、短距离通信的多功能传感器成为可能。ZigBee技术的出现就解决了这些问题。将无线ZigBee传感器网络和人工智能结合，可以大大减少农田灌溉系统的人员投入和促进了农田节水灌溉工程发展3。下是由于ZigBee技术具有功耗低、系统简单、组网方式灵活、成本低、等待时间短等性能，相对于其他无线网络技术，它更适合于组建大范围的无线农田节水灌溉网络4。1 ZigBee技术特性及特点ZigBee即IEEE802.15.4技术标准，是WPAN(IEEE802.15工作组)的标准之一，致力于实现一种适用于固定、便携或移动设备中使用的低复杂度、低成本、低功耗、低速率的短距离双向无线通信协议。ZigBee可工作在国际免授权的2.4GHz、欧洲868MHz和美国915MHz三个免费频段上，工作在2.4GHz频段上具有250kbps的最高数据传输率，典型应用的可靠传输距离为10米75米，但实际传输距离根据发射功率的大小和应用环境而定。ZigBee技术最显著的技术特点是它的低成本、低功耗、无线自组网和网络容量大。ZigBee数据传输率低，工作在较低的频段上，且具有睡眠待机模式，使ZigBee模块的整体功耗非常低。完整协议的ZigBee模块具有自动路由和自组网功能，ZigBee终端节点可自动接入 ZigBee网络。在星型ZigBee网络中，一个ZigBee FFD (Full Function Device)设备可以连接254个 ZigBee RFD (Reduced Function Device)设备，而多个星型网络又可组成Mesh自组织网络，扩大了网络覆盖范围，也方便网络扩容5。1.1 ZigBee的技术特性数据传输速率低：只有10kbs250kbs，专注于低传输应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的数据，所以WSN对传输速率的需要不是那么高。 功耗低：在休眠状态下耗电量仅仅只有1W，通信距离短的情况下工作状态的耗电为30mW，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。WSN的节点对功耗的需求极其苛刻，传感器节点需要在危险（比如战场、核辐射）的区域持续工作数年而不更换供电单元。ZigBee的耗电符合这一需求。 成本低：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，这也正是蓝牙系统所不具备的。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约WSN的强大功能6。 网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持65000个节点，也就是说每个ZigBee节点可以与数万节点相连接。由于WSN的能力很大程度上取决于节点的多少，也就是说可容纳的传感器节点越多，WSN的功能越强大。所以ZigBee的网络容量大的特点非常符合WSN的需要。 有效范围小：有效覆盖范围在1075m之间，但是可以扩展到数百米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。降低WSN节点的能量消耗和平衡所有节点的能量，有必要缩小节点RF模块的覆盖范围。 工作频段灵活：ZigBee所使用的频段依照国家开放的情况的不同，分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）以及915MHz（美国），这些频段皆属于免执照频段8，不过依照频段的不同，在传输速度以及距离上也有所差异，在868MHz频段的传输速率为20kbit/s，距离可达300公尺，而在915MHz频段时，传输速率为40kbit/s，传输距离为75公尺，至于在全球通用的2.4GHz频段方面，传输速率250kbit/s时，传输距离约10公尺，如果将速度降到28kbit/s，则可达到约134公尺的传输距离。安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，硬件本身支持CRC和AES128。这个安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。 机动网路组态：动态组网、自主路由。WSN网络是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点被敌人俘获，都能使节点退出网络，而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加入新的传感器节点。这就希望WSN能具有动态组网、自主路由的功能，而ZigBee技术就正好能解决了WSN的这一需要。 1.2 ZigBee协议栈完整的Zigbee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成4。应用层ZigBee 联盟IEEE 802.15.4应用程序接口安全层123比特加密网络层星状/网格/树状物理层868MHz/915MHz/2.4GHz介质访问控制层用户芯片栈应用图1 ZigBee协议栈如图1所示，ZigBee协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由ZigBee联盟制定。其中安全层(Security)主要实现密钥管理、存取等功能；应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口(API)，包括应用层支持APS(Application Sub-layer Support)、ZigBee设备对象ZDO(ZigBee Device Object)等，实现应用层对设备的管理9。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列扩频)，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率10。ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree 、AODV等多种路由算法，支持星形(Star)、树形(Cluster-Tree )、网格(Mesh)等多种拓扑结构。1.3 网络配置Zigbee无线网络可采用多种类型的配置。星型网络配置由一个协调器节点（主设备）和一个或多个终端设备（从设备）组成。协调器是实现了一组很多Zigbee服务的一种特殊的全功能设备（FFD）。终端设备可能是FFD或简化功能设备（RFD）。RFD是最小而且最简单的Zigbee节点。它只实现了一组最小的Zigbee服务11。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通信。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后协调器依次将数据转发到目标接收器终端设备。星型拓扑结构如图2所示。图2 星型网络拓扑结构群集网络配置也是Zigbee使用的一种网络配置结构。在群集网络中，终端设备既可以选择和协调器通信，也可以和路由器（router）通信。路由器有两个功能：一是增加网络中的节点数量，二是扩大网络的物理范围。有了路由器后，终端设备就不必安装在协调器的有效射频范围内12。群集网络结构如图3所示。图3 群集网络拓扑结构在任何定期以一个标信为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中的所有节点与此帧同步。在这个超级帧中，为每个节点分配了一个特定的时隙，在该时隙内允许节点发送和接收数据。像网络一样，Zigbee网络也是多点接入网络，这意味着网络中的所有节点对通信介质的访问是同等的。这种网络有两种类型的多点接入机制。在没有使用信标的网络中，只有信道是空闲的，在任何时候都允许所有节点发送。在使用了信标的网络中，仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。协调器还含有一个公共时隙，在此时隙内所有节点竞争接入信道。1.4 显著的技术特性ZigBee最显著的技术特性是它的低功耗和低成本。由于采用较低的数据传输速率、较低的工作频段和容量更小的Stack，并且将设备的ZigBee模块在未投入使用的情况定义为低功耗的休眠状态，ZigBee模块的整体功耗非常低。据称，根据现有的ZigBee技术规格制造的产品，在绝大多数目标应用场合下仅靠2节标准5号电池就可以持续工作6个月至两年。另外，ZigBee模块是集成度很高的单芯片，目前成本为6美元，预计生产成本可降至23美元8。虽然传输功率低，调制方式也很简单，但ZigBee在2.4GHz在ISM频段表现出了很好的抗干扰性能，只要采取必要措施，ZigBee是可以和其他同频段系统共存的。ZigBee 技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的，因为它直接影响到设备的性能。2 节水灌溉系统随着我国农业现代化进程的加快、农业结构的调整以及我国加入WTO逐渐和国际接轨等因素，可以预计对农业自动化的要求会越来越高，新的智能化技术、传感技术和农业科技的引入、应用、普及，将使灌溉自动控制系统朝着研制分布式控制系统和无线通信模式发展13。目前国内农田中的灌溉机井，大多仍然采用人工操作水泵起停，人工统计用水和用电量，在这一过程中难免会存在着一定的管理漏洞，而且用水、用电量的准确统计困难，不利于高效用水的新要求。为了保障灌溉区农业生产的可持续发展，节约水电资源，有必要从管理系统入手，研发出适应灌区特点的机井集中自动监控系统，实现对灌溉机井的集中管理和统一调度14。 2.1 系统结构和原理灌溉机井的集中监控采用了分布式测控系统结构，硬件上由控制主站和若干台路由节点组成。控制主站由主控计算机、通信模块等构成，主要完成系统设置、实时监测、数据库管理等功能；路由节点由控制器、传感器以及通信模块等构成，主要实现信号采集与传输、控制信号的接收与实现等功能。采用分布式数据采集控制系统，由各个从机完成参数测量及控制任务，在现场直接进行输入、输出数据处理，减少了信息传输量，降低了对上位计算机的要求；主机通过数据通道，直接与生产过程相联系，完成生产计划、管理的优化15。2.2 传感器的使用在节水灌溉系统中, 土壤含水量传感器的使用是该系统能否达到节水目的的关键, 所以土壤含水量传感器的选择就成为节水灌溉系统的首要问题16。利用土壤的介电特性来测量土壤含水量是一种行之有效的、快速的、简便的、可靠方法。对一定几何结构的电容式水分传感器, 其电容量与两极间被测物料的介电常数有正比关系。由于水的介电常数比一般物料的介电常数要大得多，所以当土壤中的水分增加时，其介电常数相应增大，测量时水分传感器给出的电容值也随之上升，根据传感器的电容量与土壤水分之间的对应关系可测出土壤的水分17。电容式水分传感器的特点是精度高、量程宽、可测的物料品种多，而且响应速度也较快，可应用于在线监测实现自动化18。传感器将探测到的含水量、温度信号通过ZigBee无线通信方式发送至数据集中器；数据集中器将收集的数据送至监控中心，再由监控中心对这些数据进行计算处理和统计评估。传感器信号判断的原则不是简单的非准则，而需要同时考虑其他多种因素。根据预先设定的有关规则，将这些数据转换为适当的报警动作指标，相应地发出预报警。从网络节点逻辑功能上，ZigBee设备可以分为终端设备(end device)、路由节点(router)、网络协调器(PAN co-ordinator)；从设备的功能性上区分，可以分为全功能设备FFD(Full Function Device)和简约功能设备RFD(Re-duced Function Device)。其中，全功能设备可以充当网络协调器、路由结点或终端设备，而简约功能设备只能充当终端设备节点。因此，从网络逻辑结构上分析，ZigBee火灾报警系统内的数据集中器是ZigBee网络中的网络协调器；数据集中点是路由节点；无线传感器是终端设备，根据传感器安置的位置，也可设为路由节点。一个ZigBee网络最多支持65 535个节点,完全可以满足需要。2.3 数据集中器/集中点数据集中器的功能是根据监控中心服务器的指令，读节点的累积数据。因此数据集中器只是完成通信任务28。集中点的功能是转发数据集中器出来的指令和节点的数据,将完全使用ZigBee协议，集中点在ZigBee网络中的节点性质属于路由节点(router),必须是全功能设备(FFD)。2.4 手持式通信器考虑到规模成本的因素，在自动抄表系统前期，有可能只是派出抄表员，使用手持式通信器读取智能水表数据，然后电脑读取手持式通信器内的数据后进行计费运算。日后，供水公司的维护人员，也可通过手持式通信器完成维护工作，例如对计数器复位，查看通信状况等。因此，手持式通信器的主要功能是实现与计费服务器及智能水表通信，读取智能水表数据，并完成对智能水表的维护工作19。3 应用前景随着科学技术的发展和人们对资源环境利用率的提高，农田节水灌溉的自动化、智能化控制必将成为农业发展的重要内容之一，而基于Zigbee技术的射频系统芯片CC2430芯片以其低成本，低功耗等特点为智能无线农田控制系统的实现提供了有利的支持和理想的解决方案。相信在不久的将来，Zigbee技术会在农业领域得到广泛的应用，推动农业现代化的发展进程。Farmland Water-efficient Irrigation System Based on the ZigBee TechnologyWen leiFaculty adviser: Liu shiguang Ma ji wei(Electronical Engineering and Automation Program 20050317,Dept. of Machine and Electron, Hebei Normal University of Science & Technology)Abstract： ZigBee is the standard wireless network protocol which is designed for low rate control network. It has the feature of low power, low cost, flexible frequency bands etc. All of this decided it will be the best choice for the wireless sensor network. This article banded the agricultural present situation in our country and introduced the realization methods and application prospect of the farmland system witch is based on the ZigBee technology.Key words: ZigBee technology; CC2430 Chip; water-efficient irrigation; moisture sensor; communications handset参考文献1 迟天阳,杨方,果莉.节水灌溉中土壤湿度传感器的应用J.东北农业大学学报,2006,(02):135-1372 王秀梅, 刘乃安.利用2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计J.国外电子元器件,2005,(03):36-383 马永强,李静强,冯立营.基于ZigBee技术的射频芯片CC2430J.单片机与嵌入式系统应用,2006,(03):26-294 王权平,王莉.ZigBee技术与应用J.现在电子信息科技,2004,(1):21-255 闫银发,公茂法,汤元信.基于ZigBee技术的无线网络抄表系统设计J.电测与仪表,2006,(06):43-456 Jose A Gutierrez, Ed Callaway, Vinay Mitter, etc.IEEE802.15.4-A Developing Standard for Low-Power, Low-Cost Wireless Personal Area networks. 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