基于zigbee和cc2430mcu的土壤暑冷区土壤郧情监测系统设计

基于zigbee和cc2430mcu的土壤暑冷区土壤郧情监测系统设计

0节水灌溉技术中的土壤墒情信息中国的水资源总量占世界水资源总量的7%，水资源总量排名世界第六位。然而，人均淡水资源总量仅为22003，世界人均规模为119。它是世界上人均规模的1.4。它是世界上13个贫困国家之一。中国是农业大国,由于多年来采取传统的大水漫灌方式,目前中国农业用水的有效利用率仅为40%左右,远低于发达国家70%~80%的水平,因此提高农业灌溉用水利用率已成为研究的热门课题。随着信息化浪潮的到来和无线网络技术的发展,越来越高的技术已融入到节水灌溉当中,土壤墒情信息的采集是绝大多数节水灌溉技术的基础。Zigbee技术是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术,其自组网、自愈和、多组网方式、三级安全模式等优点,为无线网络的建立带来方便。靳广超等提出了一种基于zigbee无线网络的土壤墒情检测系统,但仅限于监测土壤墒情而没有控制功能;王建等提出的基于zigbee土壤墒情监控系统,通过控制电磁阀的开闭来控制灌溉区域的土壤含水率,但是这套系统还需要市电的支持,并且控制策略过于简单。综合以上2种系统的优缺点,本文设计了一套基于无线传感器网络的土壤墒情监控系统,该系统整个监测和控制的过程都实现无线化,并能在上位机中自行设定灌溉阈值和灌溉时间以达到精准灌溉的目的,而且价格大大低于进口产品价格,便于推广使用。1系统设计1.1z空间监控系统的工作原理如图1所示,无线土壤墒情监测系统由网关节点(协调器)、功能节点(路由器)组成。协调器负责选择初始通信信道,初始化网络配置并接受子节点加入网络,它还拥有路由器的全部功能。一个网络只能有一个协调器。路由器用于在节点间传递数据包,并允许子节点加入。协调器和路由器统称为全功能设备(FFD)。Zigbee网络中还有一种终端设备,但是终端设备的作用仅限于寻找并连接路由器而不能进行数据包的路由,为了方便网络的布置,本系统中的功能节点全都设置成路由节点。系统工作原理如图2所示,协调器节点建立网络和配置网络当中的各种参数,一旦建网成功后协调器就充当路由器的作用。路由器节点负责上传自身或其他节点向协调器发送的数据包。协调器启动之后便进入组网流程,组网过程当中协调器按照Zigbee协议的规定,各层之间进行一系列的会话,完成新网络的参数配置直至网络建立成功。然后路由节点开始加入网络,路由器和协调器各层协议分别通过一系列会话之后完成对自身的配置,此后网络当中的各个节点之间就可以通信了。传感器节点会定时向协调器发送2种数据包,一种是心跳包,心跳包的主要作用是用于实时检测节点是否在线;另一种数据包上传传感器含水率和电磁阀状态,协调器收到含水率包后将其存储在上位机的数据库当中。这2种数据包都包含有节点长地址和网络地址等其他丰富的信息。1.2无线传感器网络本文是基于TexasInstruments公司的CC2430和CC2591进行开发的。CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用,及对低成本、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、低噪声放大器、平衡转换器、交换机、电感器和RF匹配网络等。配合上高增益天线,可将无线传感器网络覆盖范围提高到400m甚至上千米。节点结构如图3所示,CC2430作为整个系统的CPU,负责执行软件中指定的各种任务。CPU采集土壤含水率后并将其存储在flash存储器中;网络状态指示电路中有2个指示灯,用于指示当前网络处于在线、脱网还是收发数据状态。RS232接口和计算机串口连接后,可通过上位机软件直接向网络发送命令。CC2591是射频放大芯片,加上6DB高增益天线的作用,CC2591可将无线传感器网络的覆盖范围大大的提高。系统当中的传感器采用北京林业大学自主研发的BD-I型土壤水分传感器,由100MHz高频信号源、同轴高频传输线及土壤探针组成。传感器基于驻波原理研制,与目前广泛使用的TDR相比,在同等精度的情况下,BD-I型传感器响应速度更快,价格更便宜。电磁阀采用了雨鸟公司生产的200-PGA型电磁阀,该阀配备TBOS控制模块,阀的启停是由正负脉冲来控制,非常适用于没有交流电的场合。整个系统由智能太阳能充放电管理系统供电,供电系统由光伏板、铅酸蓄电池和太阳能充放电管理电路组成。为了节省功耗,系统运行完规定的任务之后便进入休眠模式,直到有事件将其唤醒。通过几个月的试验表明,蓄电池在充满电后能持续运行半个月左右。1.3协调器控制流程该系统软件是基于TI公司的Z-Stack协议栈开发。Z-Stack协议栈为用户写好了协议部分的代码,只需开发人员把主要精力投入在应用层开发即可,省去了开发底层协议的繁琐工作。Z-Stack以操作系统的形式给出,系统中所有的操作被定义为任务或事件。协调器通过一系列的初始化之后建立网络,网络建立之后协调器只负责传感器节点与上位机的数据交换。传感器节点加入网络后循环执行两个任务,一个是每隔10s向协调器发送一个心跳包,上位机通过统计单位时间段内收到的数据包数量感知传感器节点是否在线。另一个任务是每隔0.5h向协调器节点报告一次土壤含水率。探头检测到的模拟电压信号经过处理后变成含水率,然后经RS485通信电路发往CC2430,CC2430通过预先设定的控制策略判断是否执行开关阀门的动作。如图4所示,协调器启动之后便进行初始化无线电通道、短地址、串口设备、操作系统等操作,紧接着定义配置文件和注册节点,然后就可以启动网络,Z-Stack是以操作系统的形式出现的,完成组网和硬件初始化工作后协调器不断查询操作系统有否事件发生,一旦查询到有事件发生便去执行相应的任务。路由器节点和协调器节点的大体流程基本相同,路由器节点比协调器多执行2个任务:1)向协调器发送心跳包;2)向协调器发送节点含水率与电磁阀状态。2上位机软件设计监测上位机软件开发环境为Visualstudio2008软件,软件界面(如图5所示)中可以了解网络中每个节点的IEEE地址、网络地址、父节点IEEE地址、RSSI接收信号强度、含水率采集时间、传感器含水率、阀门状态等信息。上位机软件具有以下功能:即时数据采集、阈值设置、开关阀门、传感器标定、灌溉时间设置、节点历史数据图表显示以及用水量统计。另外还可以查询该网络的拓扑结构。为了方便日后软件的更新。软件当中还加入了空中下载功能,只需在上位机软件当中适当配置之后就可以更新原节点当中的程序镜像,更新后节点从镜像指定的启动代码处开始执行新的程序。3设置网关节点为了验证系统的各项性能指标,本研究选取一块约为300m×450m区域作为试验场地(位于北京市昌平区前蔺沟村现代农业示范基地)。通过大量试验,最终得出节点高度为1.5m时,通信质量较稳定。因此,下面的试验均选取这个高度作为网关及节点的放着高度。在场地中放置10个功能节点,一个网关节点。每个功能节点下接2个土壤水分传感器,分别检测距地表8和20cm处的土壤含水率。3.1网关节点/节点间距离通信距离测试分为单点通信距离测试和组网通信距离测试。单点测试时只开启网关和一个测试节点,从相距50m开始依次加大测试节点与网关的距离,直至二者相距300m,测试节点每隔10s向网关节点发送一帧数据包,记下1h内(总共发送360帧数据包)网关节点接收到的数据包数量,得图6中单点传输距离曲线。组网通信测试时整个网络的所有节点都打开,仍然是从相距50m开始依次加测试节点之间及测试节点与网关之间的距离,直至两两相距300m,测试节点每隔10s向网关节点发送一帧数据包,记下1h内网关节点收集到的数据包数量,得图6网络传输距离曲线。单点测试试验中,网关节点与测试节点距离为120m时接收数据包347个,成功率为96%;距离为300m时接收数据包325个,成功率为90%。组网测试试验中,节点间距离120m时接收到336个数据包,成功率为93%;节点距离为300m时接收数据包307个,成功率为86%。由图6中可以看出组网距离小于单点测试距离,这是因为组网后整个网络中所有节点都向网关节点发送数据包,造成路由节点和网关节点负荷加大,从而导致产生丢包现象。但在组网距离为300m时,即使数据包接收率为90%,也能很好地满足工程需要。3.2接收来自国内相关数据的帧数据路由节点每10s向协调节点发送一帧数据包,每天工作8.5h,一共3060帧数据包。以下是协调器在从2010-05-18-2010-07-11每天接收来自距离自身300m处的2个节点数据帧数量。06-04、14、17、07-09这几天是强降雨天气,1号节点接收成功率为85%、83%、84%、84%;2号节点接收成功率为85%、82%、83%、85%。其余时间段数据包接收成功率都能达到86%以上,由此可以看出大雨天气会影响无线网络的数据传输。3.3电磁阀运行效果试验时将每个节点底下挂载2个土壤水分传感器,距地表分别为8cm和20cm。当检测到上层传感器的含水率低于设定的阈值时控制系统开启电磁阀,20min(可根据植被和土质不同自行设着)后关闭电磁阀等待水分下渗5min后再检测20cm处含水率是否低于设定的阈值,如果低于设定阈值就继续启动电磁阀。从2010-05-2010-07运行效果(如图8所示)来看,8cm处传感器含水率小于20cm处传感器含水率,且上层的变化波动大于下层变化波动。由图7看出,06-4、14、17、07-09几次降雨后含水率升高也很好的体现出来了,由于有了电磁阀的介入,整个灌溉区域内的含水率大概维持在一个范围之内,这个范围可以根据植物生长的各个阶段对水的需求量灵活设置,这也是该系统的特点之一。从观测数据来看,该系统对土壤墒情的监控是准确可靠的。5网络实验测试本文基于CC2430、CC2591和Z-Stack,设计了一套由太阳能供电的无线土壤