基于ZigBee技术的大规模农业灌溉控制数据传输方案

1、基于ZigBee技术的大规模农业灌溉控制数据传输方案重庆勤智科技有限公司基于ZigBee技术的大规模农业灌溉控制数据传输方案一、 前言水对于农业生产的意义是不言而喻的，它是农业生物体生长、发育与产量形成不可缺少的因素，而且其需要量很大。在生物体不同生长发育时期，对水分的要求不同；而诸多因素可以影响作物体的水分需求。为了提高水分的利用效率，提高农作物的产量，实施灌溉控制就成为了一个必需要解决的问题。农业的灌溉控制并不是简单的对浇灌阀门的控制，要实现对农业作物需水的有效控制就需要了解土壤水分、土壤水势的分布，土壤-作物-大气系统中的气态水的运动，植物水分的散失，以及土壤水分的有效性问题，还要了解降

2、水、空气湿度等的影响。这些影响灌溉控制的数据量都要通过各种传感器进行采集，但是如何在野外没有电力和网络支持的环境下组建一个低功耗、低成本、高可靠性的传感器网络来实现对采集数据的传输就成为了一个需要解决的难题。现在应用比较广泛的无线传输技术主要有WLAN、工业无线微波、GPRS、蓝牙、ZigBee。WLAN和工业无线微波的传输速率高，距离远，但是大规模使用的成本高，功耗大，对速率要求不高的传感器网络来说并不适合。GPRS的传输距离远，速率适中，但由于要使用第三方的网络所以后期使用成本比较高。蓝牙的传输距离过短，而且同一个局域网最多内只能有7个终端设备，也不能使用在大范围的传感器网络上。ZigBe

3、e无线传输技术具有低功耗、低成本、低数据率、传输距离适中的特点，同一局域网内最多可以容纳65000个节点设备，所以ZigBee无线传输技术正是组建大规模传感器网络的最佳选择。二、 ZigBee技术简介1、概述ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee技术基于 IEEE 802.15.4无线物理层标准，在继承IEEE 802.15.4省电、简单、成本低的规格的同时又增加了逻辑网络、网络安全和应用层，使其网络安全性和可应用性得到了很大的提高。2、短程无线网络标准的对比标准名称GPRS/GSM1xRTT/CDMAWi-Fi802.11bBlueto

4、othZigBee应用重点广阔范围声音&数据Web、Email、图像电缆替代品监测&控制系统资源16MB1MB250KB4KB32KB电池寿命（天）17055171001000网络大小1327255/65000带宽（KB/s）641281100072020250传输距离（米）10001100110+1100+成功尺度覆盖面大，质量速度，灵活性价格便宜，方便可靠，低功耗，价格便宜3、ZigBee网络设备类型一个完整的ZigBee网络由以下三种设备组成：l 网络协调器（CFD）：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络

5、、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由信息、不断地接收信息。l 全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征。具有更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。同时该设备也可以用作终端设备。l 精简功能设备（RFD）：RFD只能传送信息给FFD或者从FFD接收信息。RFD附带有限的功能来控制成本和复杂性，通常在网络中用作终端设备。4、ZigBee网络拓扑结构a、星形网络 b、簇状网络 c、网状网络 网络协调器 全功能设备（F

6、FD）：可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以可以和任何一种设备通信。 精简功能设备（RFD）：只支持星形结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信。 5、ZigBee网状（MESH）网络 MESH网状网络拓扑结构具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈的功能。通过上图可以知道ZigBee网络只有一个网络协调器，但是可以有若干个路由器。协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点，即作为网关存在。构成协调器和路由器的必须是全功能器件（FFD），构成终端设备的可以是全功能器件

7、(FFD)，也可以是简化功能器件（RFD）。6、ZigBee的技术优势l 数据传输速率低：10KB/秒250KB/秒，专注与低传输应用。l 功耗低：在低功耗模式下，两节普通5号电池可以使用624个月。l 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。l 网络容量大：网络可容纳65000个设备。l 时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。l 网络自组织、自愈能力强，通信可靠。l 数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES128加密算法，各个应用可灵活确定其安全属性。l 工作频段灵活：使用频段为2.4GH

8、z、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照频段。7、ZigBee应用条件l 低功耗l 低成本l 较低的报文吞吐率l 需要支持大型网络节点的数量级l 需要可选择的安全等级l 需要多方面的较负责的网络拓扑结构应用l 要求高的网络自组织、自恢复能力三、 系统设计原则本系统是针对控制大规模农业灌溉的数据传输而设计。整个系统的设计将遵循以下几个原则：A、 系统必须具有很高的可靠性。B、 系统的传感器网络必须具有自组织和自愈功能，而且能够支撑大规模网络的拓扑结构。C、 系统必须具有较低的功耗以适应野外无电源供应的情况。D、 由于传感器网络的规模较大，所以系统单个节点的成本必须较低。E、 系

9、统传输的信息必须得到安全保护，每个节点和每个局域网络都必须有一个唯一识别。F、 结合微波传输距离远、带宽大的优势和ZigBee传感器的网络自组网可靠性高、成本低、可大规模组网的优势实现远距离的遥测遥控传感器网络。四、系统组成1、系统架构a、 系统架构图场站1场站N微波线路微波线路中心控制站ZigBee终端设备 ZigBee中继器 ZigBee协调器 无线微波网桥 视频监控设备本系统设计采用ZigBee网状网络(MESH)作为基本网络拓扑结构，采用该拓扑结构可以使ZigBee网络的自组网、自愈等网络特性得到最大的发挥，从而提高整个网络的稳定性和可靠性。b、 主要部分说明l ZigBee协调器：该

10、设备的设备类型为ZigBee完全设备（FFD）。该设备在一个ZigBee局域网内只能有一个，其作用为管理整个ZigBee局域网络的运行。l ZigBee中继器：该设备的设备类型为ZigBee完全设备（FFD）。该设备在各个ZigBee节点之间起到路由和信息接力的作用。l ZigBee终端设备：该设备的设备类型可以是ZigBee完全设备（FFD）或ZigBee精简设备（RFD）。该设备的主要作用为接收设备控制信息、发送传感器采集信息，当该设备的设备类型为ZigBee完全设备时还可以作为ZigBee中继器使用。l 无线微波网桥：该设备是使用5.4GHz频段的远程数据传输设备，该设备的传输距离远（1

11、0Km以上）、带宽大（54M）、可中继。使用该设备与ZigBee无线网络相配合可以有效的弥补ZigBee无线网络的弱点，实现ZigBee无线传感器网络数据的远距离高效传输。l 视频监控设备：该设备的作用是使各个分控制站实现远程的视频控制管理。可以通过远程的视频信息实时的了解到各个分站控制室的运行情况。c、 架构说明l 系统的可靠性实现：利用ZigBee技术可以实现自组网、网络自愈的功能，协调器、各个中继器、各个采用ZigBee完全设备的终端设备之间可以实现一个高可靠性的短距离无线局域网络。除了协调器之外的任何一个节点出现故障，与之相连接的其他节点就会自动的寻找最近的连接节点连接从而恢复网络的整

12、体连接实现网络的自愈合。这样的设计在野外严酷的环境下保障了系统长时间稳定运行的需要，极大的提高了系统的可靠性。l 系统低功耗的实现：ZigBee技术允许每个节点在没有数据传输的情况下处于休眠状态，在休眠状态下的电流消耗只有几十毫安。加之ZigBee本身的低传输速率低功耗的特点，可以使整个系统的功耗降低。l 低成本的实现：本公司的ZigBee传输模块使用了无线传输多级放大技术和DSSS直列扩频技术，使得单个节点的有效传输距离提高到1.6公里以上，这样就极大的减少了ZigBee网络中继节点的个数，加之ZigBee无线传输技术相比其他无线传输技术本身的低成本优势，实现了整个系统的低成本建设。l 各个

13、节点的唯一识别和信息传输安全性：因为ZigBee技术基于IEEE802.15.4无线传输标准，每个节点都有唯一的MAC地址，可以实现每个设备的唯一识别。ZigBee技术在IEEE802.15.4无线传输标准的基础上添加了应用层，因此可以为每个模块配置一个IP地址，这样就极大的简化上层控制软件的编写工作。ZigBee技术还提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES128加密算法对传输信息进行加密，这样实现了系统信息传输的安全性。l 系统的远距离传输：系统在各个局域网络的控制站内加入了基于微波传输技术的无线微波网桥，该设备是当前电信级应用的标准传输设备，传输带宽大、距离远、可中继。通过微波无线链路

14、可以将各个ZigBee无线传感器网络的数据传输到相距很远的中心控制站内，从而实现了系统的远距离数据传输和控制。2、ZigBee模块性能和功能说明l 主要芯片选择本公司ZigBee无线数据传输模块采用美国Freescale公司（原摩托罗拉半导体）的MC13213 芯片。Freescale公司是世界上5大芯片厂商之一，其工业级芯片性能稳定可靠。该型号的ZigBee芯片具有4K RAM和60K Flash存储体，支持IEEE802.15.4的完全标准，工作温度在4080，是目前实现ZigBee应用的最稳定的工业级芯片。l 模块主要性能和功能A、模块性能参数参数名称性能参数频段2.42.483GHz通

15、信协议标准IEEE 802.15.4 zigbee网络拓扑结构网状、星形调制方式DSSS（OQPSK）数据传输速率最大250Kb寻址方式64位IEEE地址，8位网络地址数据加密128bit AES错误校验CRC16/32信道接入方式CSMACA和时隙化的CSMACA信道数16通信时延15ms30ms最大发射功率25dbm接收灵敏度92dbm工作温度4085天线2.4G外置天线通信距离1.6Km数据接口RS232配置接口RS232电源9VB、模块功能模块采用标准设计，可以在模块外围定制添加各种功能模块，针对农业灌溉系统可以添加1个9V 20mA的DO接口，4个数字量输入接口（DI）,4个模拟量输

16、入接口（AI）。通过以上接口实现对传感器数据的采集转换和对灌溉阀门的开启关闭控制。针对客户的要求，本公司可以定制各种不同功能的模块和相应的软件以实现客户的应用目标。3、关于系统的故障处理设计系统由于采用工业级设计，出现故障的几率较低。ZigBee网络本身的高可靠性和网络的自愈性特点决定了系统网络的低故障率。一旦出现故障，由于数据传输部分采用模块化设计，只需更换模块插件的便可以轻松排除故障。五、系统运行原理1、数据上传过程l 数据采集前端前端的传感器将采集到的数据以数字量或模拟量的方式输入到本公司模块的8个输入端口，模块上的模数转换器和微处理器会对这些输入进行处理，然后将数据封装成ZigBee协

17、议需要的网络传输包。l 传感器网络当数据采集前端将数据封装成数据包后，模块将使用ZigBee网络提供的无线通道进行传输。传输过程采用多级跳转的方式，即数据将通过传感器网络内的中继节点自动计算最短路由，然后通过信息接力的方式将数据传输到分控制站的无线微波网桥。l 微波传输网络微波网桥在接收到传感器网络传来的数据后将数据通过微波远传到中心控制站交由中心控制站内的综合控制软件完成数据的显示和处理。同时分控制站内的视频监控数据也可以通过微波网络传输到中心控制站的监控中心。至此传感器数据的上传工作完成。2、控制下发过程控制的下发过程与上传过程为一个逆过程。控制数据从中心控制站通过微波网络传输到各个分控制

18、站，然后通过传感器网络传输到需要控制的模块，模块收到控制信息后通过DO接口向灌溉阀门发送电脉冲控制阀门的关闭或开启。六、系统的扩展1、基于ZigBee的定位系统由于ZigBee系统的自动路由功能，所有进入ZigBee局域网的ZigBee终端都会自动的连接入ZigBee网络。因此只要工作人员持ZigBee设备进入传感器网络范围，那么通过无线网络的定位测定就可以测定该人员的位置，从而实现定位功能。该定位功能比GPS的定位更精确，还能在定位信息中附带更多的信息。2、基于ZigBee的实时信息传输系统当农场工作人员进入传感器网络范围，就可以使用加装了ZigBee模块的手持PDA设备给处于整个网络内的其他工作人员发送信息，在没有手机基