基于ZigBee技术的农田自动节水灌溉系统·95·
基于ZigBee技术的农田A动节水灌溉系统
刘涛，赵计生
(兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州730050)
摘要：发展节水灌溉是解决农业灌溉缺水的根本出路。ZigBee技术是最近提出的一种双向无线通信技术，主要适用于自动
控制和远程控制领域，介绍了ZigBee技术在农田自动节水灌溉系统中的应用。
关键词：ZigBee；自动节水灌溉；监测；定位；控制
中图分类号：TN92文献标识码：B文章编号：1000—8829(2008)02-0095-03
AutomaticSystemBasedonZigBeeTechnologyfor
Water—SavingIrrigationofFarmland
‘LIUTao，ZHAOJi-sheng
(SchoolofMechanicalandElectronicalEngineering，L址lzhouUniversityofTechnology，Lanzhou730050，China)
Abstract：Developingwater-savingirrigationis蚰importantwaytOsolvingtheproblemoflackofwaterforagriculturalirrigation．
TheZigBeetechnologyisanewtwo·waywirelesscommunicationtechnologythatfindsitsuseinautomaticandremotecontrolfield．
TheapplicationoftheZig,Beetechnologyinthefarmlandautomaticirrigationsystemtosavewaterispresented．
Keywords：ZigBee；automaticwater-savingirrigation；monitor；location；control
水资源严重缺乏和水旱灾害频繁是我国的国情。我国农业
用水量约占总用水量的80％左右，由于农业灌溉用水的利用率
普遍低下，就全国范围而言，水的利用率仅为45％，而水资源利
用率高的围家已达70％～80％，因而，解决农业灌溉用水的问
题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。在灌溉系统合理地
推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧
张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。采用
传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现水管理的自动
化。ZigBee于2004年底通过IEEES02．15．4标准，是一种新兴
的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技
术，它依据802．15．4标准，在数千个微小的传感器之间相互协
调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通
过无线传输将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们
的通信效率非常高"J。自动节水灌溉系统利用土壤水分传感
器，微处理器，和ZigBee芯片等器件，以网状埋设在农田的各个
地方，通过无线通信传播采集数据，然后控制灌溉系统的状态，
从而实现农田灌溉的自动化。
1ZigBee技术介绍
1．1ZigBee的由来和特点
2001年8月，飞利浦、三菱、摩托罗拉和Invensys等ZigBee
的主要支持者组成了一个非营利性质的联盟——zigBee联盟，
收稿日期：2007—07—17
作者简介：刘涛(19r7l一)．女，甘肃武威人，副教授，主要研究方向为测试
计量仪器与仪表、机械设计制造及其自动化；赵计生(1980一)，男，山西
忻州人，硕士研究生。主要研究方向为单片机应用及自动化、测试计量技
术及仪嚣应用。
以推动该技术的进一步发展和应用。采用直接序列扩频
(DSSS)技术，主要工作在无需注册的2．4GHz频段。当前比较
流行的几种无线技术的特点如表1所示。
襄l几种无线技术特点的比较
由表中可以看出ZigBee的主要特点：低功耗；成本低；时延
短；网络容量大；安全可靠。尤其ZigBee的低功耗是其他无线
设备望尘莫及的，因为ZigBee的传输速率低，发射功率仅为I
mW，而且采用了休眠模式，功耗低。据估计，ZigBee设备仅靠两
节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。
1．2ZigBee通信协议框架及其网络拓扑
ZigBee协议的整体框架包括物理层、MAC层、数据链接层、
网络层和应用层。其中物理层和MAC层是由IEEE制定，而网
络层及应用设备层是由ZigBee联盟制定的，用户只需编写自己
需求的最高层应用协议。
ZigBee的网络拓扑结构有3种：星形网络、树形网络、混合
网络。其中星形网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通
过中心节点传输。如果用通信模块构造星形网络，只需要一个
模块被配置成中心节点，其他模块可以配置成终端节点。在
Zig,Bee的网络中，支持全功能设备(FFD)和精简功能设备
万方数据
．96·《测控技术)2008年第27卷第2期
(RFD)两种类型的物理设备。此外，ZigBee网络按照节点类型
来分，支持3种节点：主节点、路由节点以及终端节点。主节点
就是协调器，必须由一个FFD构成，它是网络的核心，负责建立
一个网络并下发地址。路由节点也是一个FFD，搜索网络并加
入。给加入路由的终端节点分配地址。路由节点仅是网络中的
一个无线收发器，负责转发通信和维护网内路径。终端节点是
网络中最简单的节点，可以是一个FFD或者RFD。
2系统设计与实现
2．1系统组成
系统中以测试基站为单位进行设计安装，每个基站由若干
传感器节点和中继节点组成。网络拓扑采用混合网，每个传感
器子节点组成一个星形网，都分配一个核心节点，核心节点组成
对等网，它们之间互相可以进行无线通信。传感器子节点由简
化功能器件担任，主要完成对土壤的水分、温度等参数的采集处
理，将数据发送给所在星形网的核心节点。核心节点由全功能
器件担任，用来接收子节点采集的数据，最终所有的数据会汇集
到监控中心的采集设备。采集设备具有较强的处理能力和内
存，负责接收传感器的上传数据，经判断处理后传送给传感器或
远方更高一级监控设备。系统中网络的形成和维护都是通过设
备之间的通信而自动实现，不需要人工来干预网络。
设计思想：使用成对的ZigBee收发器来实现无线信号的传
输。单片机对信息进行中转处理，计算机对整个系统实现监测
和控制。ZigBee自动灌溉系统示意图如图1所示。
图1ZigBee自动灌溉系统示意图
2．2系统测试基站和子站的设计
①测试子站。由土壤湿度传感器，微处理器，ZigBee收发器
和供电电池组成。基本功能是由土壤传感器定时采集农田中土
壤的湿度和温度，然后传给微处理器，微处理器处理采集到的数
据，最后在处理器控制下由ZigBee收发器通过天线，把数据发到
测试基站，由基站处理。RFD测试子站的硬件结构如图2所示。
图2RFD测试子站结构框图
②测试基站。由ZigBee收发器，微处理器组成。收发器收
到来自本基站控制范围内的测试子站发来的数据时，通知微处
理器接收数据，然后就开始接收，数据经过处理后，发送到监控
中心。测试基站也可以接收监控中心传来的控制信号，然后通
过ZigBee收发器发向本基站控制范围内的测试子站，从而检测
测试子站的工作状态和设备状态。FFD测试基站的硬件图见图
3。
监测中心根据测试子站和测试基站发回的信息，通过总线
向灌溉控制器发控制信息，灌溉控制器根据发来的数据对电磁
阀的开关进行控制，从而灌溉农田。同时灌溉控制模块也可以
向监控中心反馈灌溉设备的工作状态，如果设备有故障，监控中
心可以及时实施应急措施。
3系统硬件
系统使用8位低功耗微处理器ATmegal28，相对于其他通
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图3FFD测试基站硬件图
万方数据
基于ZigBee技术的农田自动节水灌溉系统·97-
用的8位微控制器来说，它具有更加丰富的资源，并且能耗极
低。它具有片内128KB的程序存储器(Fhsh)，4KB的数据存
储器(SRAM，可外扩到64KB)和4KB的E2PROM。此外，它还
有8个lO位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时／计数
器，并可在多种不同的模式下工作。8个PWM通道、可编程看
门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器。UART、SPI、IzC
总线接口。J1rAG口为开发和调试提供了方便的接口。更值得
一提的是，除了正常操作模式外，它还具有6种不同等级的低能
耗操作模式，在每种低能耗模式下具有不同的能耗。因此该微
处理器非常适合于ZigBee无线通信节点这种需要低能耗的应
用场合。
ATmegal28和CC2420是测试基站和测试子站的核心。
CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP和CAA4个引脚表示收发数据
的状态；而处理器通过SPI接口与CC2420交换数据、发送命令
等。
CC2420收到物理帧的SFD字段后，会在SFD引脚输出高
电平，直到接收完该帧。如果启用了地址辨识，在地址辨识失败
后，SFD引脚立即转为输出低电乎。
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4测试结果与应用
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FIFO和FIFOP引脚标识接收FIFO缓冲区的状态。如果接
收FIFO缓冲区有数据，FIFO引脚输出高电平；如果接收FIFO
缓冲区为空，FIFO引脚输出低电平。FIFOP引脚在接收FIFO
缓冲区的数据超过某个临界值时或者在CC2420接收到一个完
整的帧以后输出高电平。临界值可以通过CC2420的寄存器设
置。CCA引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下
有效。在CC2420进入接收状态至少8个符号(symb01)周期后，
才会在CCA引脚输出有效的信道状态信息。
SPI接口由CSN，SI，SO和SCLK4个引脚构成。处理器通
过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储区。在访问过程中，
CC2420是SPI接口的从设备，接收来自处理器的时钟信号和片
选信号，并在处理器控制下执行输入输出操作。SPI接口接收
或发送数据时都与时钟下降沿对齐H1。
灌溉控制电路(见图4)由单片机承担控制，通过74HCl38
和74HC373来扩展单片机的输出口。可以增加控制口，在
74HC373的输出口接驱动器、光电隔离、放大电路和电磁阀…。
从而来控制供水管道的开关，完成对供水系统的控制，实现节水
灌溉。
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图4灌溉控制电路
对ZigBee／IEEE802．15．4设备性能评估，主要是测试它的
发射功率、频谱的相位噪声、临近信道干扰和通信距离等。在空
旷环境中测试，距离150m时通信的误码率可小于l％。系统
在发射状态下耗电为23．7mA，接收时为．21．78mA，休眠状态
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下仅为2．5肚。实验结果证明，本设计的基于CC2420收发器
的系统具有容错性高、性能优越、超低功耗、价格低廉的优点，各
项性能指标还可进一步提升。
经实验证明，以ATmegal28单片机为核心，基于ZigBee技
术的农田自动节水灌溉系统，可以准确地进行早期的农田土壤
(下转第99页)
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图3控制系统电路框图
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图4IGBT驱动电路原理图
据采集卡允许输入电压范围)以内的单体，其两端直接接到调
理电路板相应的输入端，否则对电压信号进行分压处理，以满足
数据采集卡对输入信号的要求。为了消除各单体间的共模干
扰，输人数据采集卡的信号采取差分输入模式。
3软件部分
软件用VC++中MrC(微软基础类库)对数据采集卡界面
进行修改，增加相应的功能。采用模块化设计思想，主要有系统
初始化模块、采集调理模块、通信模块、恒流控制模块，以及数据
记录和自动停止充放电模块。
3．1数据采集和处理
采用研祥公司代理的PCI-64A／D数据采集卡，该卡采用32
位PCI数据总线，有64个模拟信号输入端口，可构成64路单端
或32路双端差分输入。数据采集卡在软件控制下，可对l路或
多路通道进行操作。输入信号经过增益电路放大后，由一个逐
次逼近型A／D转换器ADS774转换为12位数字信号。数据采
集卡最大采样率为100kI-Iz。由于蓄电池充放电是一个缓慢的
过程，此采集卡足以满足系统要求。
系统采用IGBT调节，因此回路电流波动很大，虽然串联了
一个平波电感进行抑制，但仍存在一定的干扰。为了减少干扰
在有用信号中的比重，提高信号的真实性，使所测电压能真实地
反映回路中的电流，系统在软件设计时运用平均值滤波法对所
采集的电压信号进行滤波。
平均值滤波法是对信号的若干次测量进行算术平均，作为
某一时刻的输出值。即设在n时刻的测量值为，，(n)，则有
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式中，)，(n)为n时刻的滤波输出。m值决定了信号的平滑度和
灵敏度。随着m的增大，平滑度提高，灵敏度降低。本系统选
用m=10。
3．2通信的实现
在VC++编程中，可采用WindowsAPI函数和环境自带的
控件MSComm进行串口通信编程。前者编写应用程序时，往往
要考虑多线程问题，所编程序十分庞大，而且结构复杂，继承性
差，维护困难。
(上接第9r7页)
的水分状态的检测和反馈，然后及时对农作物进行定点的灌溉，
最终实现农田的节水灌溉，同时解决缺水问题。相信通过努力，
一个功能完善，基于ZigBee技术的农田自动节水灌溉系统将得
到推广和应用。
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万方数据
基于ZigBee技术的农田自动节水灌溉系统
作者：刘涛，赵计生，LIUTao，ZHAOJi-sheng
作者单位：兰州理工大学机电工程学院,甘肃,兰州,730050
刊名：测控技术
英文刊名：MEASUREMENT&CONTROLTECHNOLOGY
年，卷(期)：2008，27(2)
被引用次数：4次
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下载时间：2010年7月14日
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