基于ZigBee技术的绿地自动灌溉控制系统的研究与实现.docx
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基于ZigBee技术的绿地自动灌溉控制系统的研究与实现
基于ZigBee技术的绿地自动灌溉控制系统的研究与实现
1我国绿地灌溉现状
1.1绿地灌溉特点
城市绿地担负着改善环境、增加美感、陶冶性情等等的重要使命，因此它被人为地要求要经常保持青绿旺盛的生长状态，加之城市绿地不同于自然状态的特殊环境条件，使得绿地灌溉体现出了以下的特点:
绿地灌溉的耗水量很大。
任何植物的耗水量中只有极少部分用于植物机体的建造，而大量的水分是用于植物的生理蒸腾和地面的蒸发;而在城市中，由于人群活动和车辆运行的扰动，城市绿地的地面蒸发量远远大于自然状态下生长的植物，这就使得城市绿地植物要常年保持旺盛的生长状态，其耗水量是相当大的。
据统计，城市绿地的耗水量是农业生产绿地耗水量的2.5一3倍。
绿地灌溉要连续稳定。
城市绿地用水的随机率很高，而且是连续性的，用水的时间间隔非常短，灌溉要频繁、及时，比如一些体育运动或者竞赛的运动场，这就对灌溉系统性能一的连续、稳定提出了一定的要求。
绿地灌溉对水质和喷洒质量的要求较为严格，特别是对高级观赏植物和高尔夫球场的草皮，要求喷灌均匀度较高，如有漏喷或喷洒过量都会造成严重的损失。
绿地灌溉多数在夜间进行。
白天灌溉的蒸发损失量大，而夜晚灌溉比白天少消耗10%以上的水量;有些草坪白天不允许灌溉，例如有比赛活动的高尔夫球场，以及进行娱乐活动的公园娱乐区等等。
托普物联网在现今的信息时代，不但对农业领域有着杰出的贡献，也逐渐的把物联网遍布各个领域，绿地灌溉也是现在国家较为关心的问题，这套系统的研发，不仅节省人力、资源，也代表着信息技术在灌溉领域的充分利用。
绿地灌溉要注意景观保护和环境效果。
精心设计的喷灌系统，要正确选择喷头和进行喷点的布置，不仅要能满足绿地需水，而且在灌溉时可以形成水动的景观效果，增加城市绿地的艺术性，增强其美化城市的功能。
1.1.1我国绿地灌溉现状
过去，由于经济技术发展不够成熟，我国绿地灌溉基本上是以人工控制灌溉为主，灌溉方式一般是采用大水漫灌或者人工喷洒模式。
这种灌溉方式、方法只能改变土壤湿度，对绿地植物生长的小气候影响很小;随意性大，常常发生该灌水时无人开阀，不该灌水时又无人关阀，导致一边下雨一边喷水，草地变人工湖，马路变排水渠的情况屡见不鲜;由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，难以控制灌水质量，对绿地植物的正常生长产生了不良影响;在某些需要夜间灌水的情况下，例如白天有比赛活动的高尔夫球场等，灌溉管理的人力消耗大，工作强度大，管理成本高;灌水定额较大，不便实施适时适量灌溉，水的利用率低，这种方法大概有40%一50%的水由于深层渗漏及无效蒸发损失掉，这对于我国城市日益短缺的水资源供应无疑是雪上加霜。
现今，绿地灌溉一般选择喷灌。
喷灌以其节水、保土、省工、适应性强、养护质量高、景观效果好等优点，在城市绿地中特别是草坪灌溉中应用广泛。
喷灌喷头覆盖面积相对较大，并且喷点少，不但不影响绿地的整体美观效果，而且水的实际利用率可以达到65%一75%;若喷灌设备采用高均匀度的喷头，实际水利用效率能达到75%一80%。
大面积绿地（高尔夫球场、足球场、大型广场等）采用喷灌，既可满足绿地植物生长需水的要求，又可形成一道水景加绿地的风景线。
在灌溉控制方面，现在我国主要推广的是半自动化灌溉系统。
此类系统如利用定时器控制灌溉比人控控制系统节水很多。
可以根据经验针对不同气候时段设置不同灌溉程序，减少了灌溉的随意性。
但灌溉程序设定仍是依赖管理人员的经验或参考有关参考数据。
如管理人员经验不足或获得的参考数据准确性差，编制的程序会导致灌水过量或不足，距离精确化、智能化灌溉仍有很大距离。
但由于其投资少，灌溉水的有效利用率比手动控制提高很多，作为成熟的灌溉控制系统现阶段我国城市推广的便是此类模式。
1.2绿地自动灌溉控制系统的研究现状
1.2.1绿地自动灌溉控制系统概述
绿地自动灌溉控制系统按照自动化程度的高低分为全自动化灌溉系统和半自动化灌溉系统。
全自动化灌溉系统不需要人的直接参与，通过预先编制好的控制程序和根据反映作物需水的某些参量可以长时间地自动启闭电磁阀。
人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。
这种控制系统中，除了喷头、管道、管件等还有中央控制器、电磁阀、各种传感器等，对于大范围的控制系统需要还可以配置远程控制器等。
半自动化灌溉系统在绿地现场没有安装传感器，灌水开始时间、灌水持续时间和灌溉周期等均是根据预先编制的程序，而不是根据土壤水分和气象状况的反馈信息来控制的。
按照结构形式的不同，绿地自动控制灌溉系统又可以分为开环控制灌溉系统和闭环控制灌溉系统两种。
如果自动灌溉系统中具有反馈信号，就称为闭环系统，否则就叫做开环系统。
中央计算机控制系统是典型的闭环控制灌溉系统，而时序控制系统是典型的开环控制灌溉系统。
我国目前城市应用比较成熟的绿地灌溉控制系统就是时序控制系统。
目前，在国际上技术比较成熟、应用较广的灌溉控制技术主要有两种:
专家系统与微机测控技术。
专家系统是一个模拟人脑思维方式，以知识为基础的计算机软件系统。
专家系统应用于节水灌溉也是以丰富的种植经验为基础的，例如，在己有经验上，将已知的作物生长各阶段的需水量，生长状态、各阶段可能遇到的气候与自然条件等决定灌溉的详细信息输入计算机，按照一定的法则划分成各项细则存储在计算机中。
当进行控制时，就将已获得的作物生长状态、气候条件等输入计算机，计算机经过计算推理，把它划分归属于某一细则，再按这一细则的要求，如灌溉量和灌溉时间，进行灌溉。
如从荷兰引进的大棚花卉种植专家系统，由于多年的种植经验，对某种花卉的生长过程十分熟悉，将其生长过程细节输入计算机，由计算机通过推理计算来决定其灌溉与施肥。
微机测控技术将计算机技术、传感与检测技术以及通讯技术结合起来，能够检测土壤墒情、环境特征，并依据检测结果来决定灌溉量与灌溉时间，摆脱了传统的全凭经验灌溉的灌溉模式。
在田间分布各种传感器检测点，如土壤水分、温度、湿度、光照、作物蒸腾量等，检测结果送至微机，微机对结果进行处理，然后通过通讯技术，将处理结果发送至上位机，即实验室或家里的计算机中，操作者就可以在家里或实验室里观察到作物生长状况和土壤墒情，根据经验数据判断作物是否缺水及所需灌溉量与灌溉时间，然后发出灌溉命令给微机，微机就可以根据命令控制灌溉量与灌溉时间，实现高效节水灌溉。
1.2.2国内外绿地自动灌溉控制系统的研究和应用概况
国外一些国家运用冼进的电子技术、计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早，并渐趋成熟。
这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制，到当前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便。
真正的计算机控制灌溉源于以色列。
爱尔达一祥利（Eld盯一Shany）自控技术公司是以色列最大的农业计算机控制系统生产厂家，也是当今世界上生产农业计算机控制系统的主导企业，开发了一系列的可编程控制器。
例如大型农田灌溉计算机控制系统ElgalAgro是目前农业计算机控制领域最先进的控制系统，适用于较大面积的农田、果园、草场、公园绿地等自动化节水灌溉系统中。
澳大利亚也开发成功了一系列的灌溉控制器产品。
例如澳大利亚的HARDIEIRIGATION公司的HR6100系列的灌溉控制器，其成本较低，是一种小型化的自动灌溉控制器，主要是面对家庭庭院和小面积的商业绿化场地的灌溉，而MlcRoo一MAsTERTM系列产品是HARDIE公司为进行大面积灌溉而开发的控制器。
该公司采用分布式布置，可与上位机进行双向通信，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[5]。
我国的毛慎建、张文革和许一飞研制的智能化灌溉控制器是以8031单片机为核心的全自动化灌溉控制器，该控制器可以任意设定周期进行灌溉控制，也可以根据检测到的土壤水分状况进行闭环控制，能够控制多路灌溉系统进行多种方式灌溉，该系统已成功用于北京航空航天大学体育场，从投入运行的情况来看，情况良好[6l。
北京奥特思达科技有限公司研制的wT-OZ型微喷灌定时自动控制器，是一种供农业、草坪、果园、温室一般场合给水的电子灌溉自动控制系统[7]。
为了提高绿化用水的利用率，姜文峰、郑文刚等设计了一个城市绿地自动化节水灌溉系统，该系统上位机与下位机采用GSM短信或485总线方式通信，通过各种传感器实时采集灌区土壤水分、土壤温度、空气温湿度、静辐射、风速等植物生长的环境数据，在上位机形成原始数据库，并通过专家知识系统决策是否灌溉及灌水量多少，从而达到节水灌溉的目的。
目前，该控制系统已在北京海淀区苏家屯绿地精确灌溉节水示范区、北京南五环京开立交桥高速公路中央隔离带及北京大兴庞各庄温室中应用。
张水利、徐基芬、张运武等设计的利用工业TPC终端及普通电脑构成的集散型智能节水灌溉控制系统，可实现全自动无人值守运行，也可手动操作，还可通过网络进行远程监控，并通过网络实现了区域内气象资料的共享。
匡秋明、赵燕东、白陈祥设计了一套闭环控制的精准灌溉控制系统，该系统由中央监控计算机、灌溉监测控制器、土壤水分传感器和阀门控制器组成。
其中，底层传感器和阀门控制器通过RS485总线连接至灌溉监测控制器，灌溉监测控制器通过无线通讯模块与中央监控计算机相连。
该系统实现了土壤含水率的在线自动监测，并依据植物的土壤含水率灌溉阂值自动控制灌溉系统。
该系统在北京林业大学主楼前精准灌溉示范区（主要植被类型为高羊茅草坪草）无故障精准运行了200多天，很好的实现了精准灌溉[l0l。
蒋德平介绍了一种用于城市绿化灌溉的无线电磁阀控制系统，该系统中各灌区的电磁阀的开启和关闭都是由与电磁阀组装成一体的阀门控制器控制。
阀门控制器具有编程功能并带有显示时钟和程序的液晶显示屏;阀门控制器定时开启和关闭电磁阀。
该系统具有安装简单、成本低、适应性强的特点，对于老的绿地灌溉项目不需要挖沟埋线，只需要更换电磁阀和加装阀门控制器即可实现灌溉自动控制。
第2章绿地自动灌溉控制系统总体方案设计
2.1zigBe。
技术在绿地自动灌溉控制系统中的适用性分析
2.1.2zigBee技术概述
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中。
它的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式:
蜜蜂通过跳Zigzag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。
2.1.1.1zigBee技术协议框架
ZigBee协议是架构在IEEE802.15.4标准之上的，完整的ZigBee协议套件由应用层（APL）、网络层（NWK）、数据链路层（MAC）和物理层（PHY）组成。
在标准规范的制订方面，主要是正EE802.巧.4小组与ZigBee联盟两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。
它的物理层和数据链路层主要采用正EE802.15.4准，而网络层以上的协议由ZigBee联盟负责。
ZigBee联盟成立于2001年8月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰的飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商加入。
ZigBee技术的协议框架如图2一1所示。
图2-1ZigBee技术协议框架
物理层（PHY）是整个ZigBee协议栈的最底层。
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，它提供了两种类型的服务:
即通过物理层管理实体接（PLME）对物理层数据和物理层管理提供服务。
ZigBee技术兼容的产品工作在正EE802.巧.4的物理层（PHY）上，其频段是免费开放的，分别为2.4GHz（全球）gl5MHZ（美国）和868MHZ（欧洲）。
它在2.4GHz的频段上提供25okbit/s（26个信道）、在gl5MHz频段上提供4okbit/s（10个信道）和在s6sMHz频段上提供Zokbit/s（l个信道）的传输速率。
其传输范围依赖于输出功率和信道环境，介于IOm到100m之间，一般是30m左右。
由于zigBee技术使用的是开放频段，已有多种无线通讯技术使用，因此为避免被干扰，各个频段均采用直接序列扩频技术（Dsss，DirectSequeneespreadspeetrum）。
同时，PHY的直接序列扩频技术允许设备无需闭环同步。
在这3个不同频段，都采用相位调制技术，2.4GHz采用较高阶的QPsK调制技术以达到25Okbit/S的速率，并降低工作时间，以减少功率消耗。
而在9巧MHz和868MHz方面，则采用BPSK的调制技术。
IEEE802.15.4定义的MAC层也提供两种服务:
通过MAc层管理实体服务接入点（MLME一SAP）向MAC层数据和MAC层管理提供服务。
前者保证MAC层数据协议单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC层协议状态相关的数据库。
在MAC层上，主要沿用wLAN中802.H系列标准的CSM刀CA方式，以提高系统的兼容性。
所谓的CSMA/CA，即是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输，若产生碰撞，则稍后一段时间重传。
网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，它独立处理传入数据请求、关联、取消关联、孤立通知请求和为应用层提供适当的服务接口。
网络层为应用层提供了数据实体（NLDE）和管理实体（NLME）这两种服务实体，以便更好地实现与应用层的连接。
ZigBee协议中的应用层用以定义用户对象。
在同一ZigBee节点上，应用层最多可以支持定义240个不同的应用对象。
每一个应用对象都被作为一个节点，它们可以从1到240进行编号;节点0保留作为本节点的ZDO;节点255保留给数据接口函数向所有的应用对象广播数据;节点端点241一254保留作将来使用。
2.1.1.2zigBee无线网络的拓扑结构
网络拓扑控制对ZigBee无线网络而言具有非常重要的意义。
选择恰当的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生命周期。
ZigBee技术支持三种类型的网络拓寸1·结构:
星型结构（Star）、簇树结构（ClusterTree）和网状结构（Mesh）。
如图2一2所示。
根据节点担任的角色的不同，ZigBee网络中的设备对象分为三种不同的类型:
协调（coordinator）、路由器（Router）和终端设备（EndDevice）。
一个独立的网络中只有一个协调器，协调器负责建立网络、允许子节点加入、分配短地址等，并且为网络提供数据路由和安全管理等服务;路由器是网络的中继站，允许其他子节点通过它加入到网络中，并且对传输的数据进行路由中继;终端设备只能通过路由器或者协调器加入网络，负责发送或者接收数据，没有中继功能，也不能建立网络。
同时，在ZigBee网络中，根据节点所具有的通信能力的不同，又可将网络设备分为全功能设备（FFD，FullFunctionDeviee）和精简功能设备（盯D，RedueedFunetionDeviee）两种。
相对于FFD来说，即D的电路结构简单且要求的存储体的容量较小，但灯D之间不能直接进行通信，只能和一个作为它的父节点的FFD进行通信;而FFD要求存储体的容量相对要大，能够提供数据交换，一个FFD可以同时和其它多个FFD或RFD进行通信。
协调器和路由器要有一定的中继能力，并且能够适量地存储数据，因此必须是FFD;而终端设备可以是FFD或者即D口。
图2一2三种类型的网络拓扑
星型结构的网络由一个协调器和多个终端设备组成，每个终端设备只能与协调器连接并且协调器控制整个网络。
簇树结构和网状结构都是通过路由器来拓展
整个网络的范围的，但是簇树结构的网络中路由器之间是不能直接进行通信的，需要由协调器进行中转，而网状网中的路由器是可以直接进行通信的，并且通过自组织和无线路由功能，其可提供多个数据通信路径，并能根据不同的路由策略从中选出最优路径。
2.1.2zigBee技术适用性分析
在短距离无线通信领域中，除了ZigBee技术外，目前比较成熟的技术还有红外数据传输（xrnA）、无线局域网（wi一Fi）、蓝牙（Bluetooth）和超宽带（ultra
wideBand）等，它们都有各自不同的特点和使用范围，表2一1对它们进行了比较说明。
由表中比较可以看出，ZigBee技术具有如下显著的特点:
功耗低:
在工作模式下，ZigBee技术的数据传输速率低、传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，功耗较低;在非工作模式时，节点处于休眠状态。
因此zigBee节点的功耗极低，非常省电，两节普通的AA电池能使用6一24个月。
数据传输可靠:
MAC层采用碰撞避免机制，这种完全确认的数据传输机制提高了数据传输的可靠性。
安全性高:
ZigBee协议提供了数据安全性检查和鉴权功能，并且加密算法采用了AES一128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
网络容量大:
在ZigBee网络中，一个主节点最多可管理255个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，则每个ZigBee网络最多可支持65536个节点。
数据传输速率低:
ZigBee协议中，数据传输速率通常只有10一250kb/s。
通信距离短:
相邻节点间的一般有效传输距离大约在10一10om之间。
工作频段灵活:
ZigBee技术有三个工作频段:
2.4GHz（全球）、gl5MHz（美国）和868MHz（欧洲）三个频段，而且均为免执照的ISM（工业科学医疗）频段，根据具体的应用环境进行选择。
成本低:
zigBee技术的数据传输速率低、数据传输量小、通信距离短、协议简单，使得它对硬件配置的要求极低，而且zigBee协议的工作频段都是国际免费频段，所以相对于其他短距离无线通信技术来说，成本极低。
由此可以看出，zigBee技术主要应用于通信范围相对较小、数据传输速率较低的吝种电子设备上，典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器）和间歇性数
据（如照明控制）等。
通常，符合下列条件之一的就可以考虑采用zigBee技术:
（1）设备间距较小;
（2）设备成本很低，传输的数据量很小;
（3）只能使用一次性电池，没有充足的电力支持;
（4）无法频繁更换电池;
（5）需要覆盖的范围较大，网络内需要容纳的设备较多，网络主要用于监测或控制。
随着计算机技术、自动控制技术和传感器技术的不断发展，绿地灌溉控制逐渐朝着自动化的方向发展，各种传感器被引入，加之绿地环境中有线网络组网的复杂性和高成本的缺点，使得无线传感器网络的建立适应了绿地自动灌溉控制系统的发展方向;在绿地自动灌溉控制系统中，绿地的范围一般不是很大，即使需要大范围的组网，也可采用不同的ZigBee无线网络拓扑结构组建大型区域的网络;绿地环境是一个准静态环境，对绿地进行自动灌溉控制时，采集的相应的环境参数例如空气温度、空气相对湿度、光照度、土壤水分含量等等都是变化比较缓慢的，数据采集的周期性较大，且数据量很小，正好符合了ZigBee技术数据传输速率小的特点。
因此，将基于ZigBee协议的无线传感器网络技术应用到绿地自动灌溉控制系统中，将在一定程度上推动绿地自动灌溉控制技术的发展和ZigBee技术在无线监测、控制领域的广泛应用。
2.2系统总体方案设计
在对一个城市或者一个公园的绿地灌溉系统进行自动控制时，由于绿地比较分散且覆盖的整体范围较大，可采用多级无线网络进行监控。
原理如图2一3所不:
图2-3绿地自动灌溉系统原理图
将一个城市或者一个公园的每一个独立的、分散的绿地作为一个监控区域，各个监控区域与本地控制中心通过簇树结构或者网状结构的网络拓扑进行组网，并且均采用ZigBee网络协议;各个监控区域单独进行灌溉控制或者将数据发送给本地控制中心进行集中监控;本地控制中心可选用ZigBee网络的协调器节点或者为了实现更高级的功能，采用ARM或者PC机。
为了便于远程监控，可通过GPRs等无线网络接入远程计算机，而其他远程用户也可通过Intemet对绿地灌溉系统的相关信息、进行共享。
由于各个监控区域的监控网络的建立是基本相同的，本论文主要研究单监控区域的绿地自动灌溉控制系统的搭建，而这也是大型、远程监控网络实现的基础和保证。
在单个监控区域中，由于绿地的范围一般较小，采用星型网络拓扑结构组网。
协调器是网络的控制设备，也是zigBee无线传感器网络的“协调器节点”，是单个监控区域的控制中心，负责组网、允许无线传感器节点和无线控制器节点加入网络、实时显示无线控制器节点传送来的气象信息，包括空气温度、空气相对湿度、光照度等等及土壤水分含量，并且按照一定的控制策略作出灌溉决策并发送给无线控制器节点;无线传感器节点加入网络后，实时检测各种气象参数和土壤水分含量，并且将采集到的数据传送给协调器以便实时显示或者进行灌溉决策;无线控制器节点接收协调器发送来的灌溉决策命令，开启或者关闭电磁阀，每个无线控制器节点可配备4路电磁阀或者根据需要可扩展至多路电磁阀。
无线传感器节点和无线控制器节点的数目的选择和布点需根据用户对环境参数检测的精确性的要求、绿地面积的大小、水源供应的便捷程度及整个控制系统的成本预算进行综合考虑和确定。
图2一4是单监控区域的绿地自动灌溉系统的结构框图，本文是在已有的输水部分的基础上对控制部分进行研究。
图2一4单监控区域绿地自动灌溉系统结构框图
本文研究的绿地自动灌溉控制系统主要具有以下的功能特点:
无线监控:
采用基于ZigBee协议的无线传感器网络技术进行组网，实现无线监控;
系统可配置:
根据用户需要对网络拓扑结构以及无线传感器节点和无线控制
器节点的数目进行配置，并且无线控制器节点的电磁阀数目也可以根据用户需要进行增减;
自动灌溉控制方式可选:
用户可根据实际需要和成本控制，选用土壤水分控制方式或者定时控制方式中的任意一种。
在土壤水分控制方式下，无线传感器节点配备了土壤水分传感器，可以根据设定的土壤水分值自动启动灌溉，在达到一定的灌溉时间后即可停止灌溉;在定时控制方式下，用户可以根据经验设定灌水的开始时间以及喷灌持续时间，在到达开启时间后，自动开启电磁阀，根据设定的灌溉持续时间连续灌溉，直到灌溉结束，自动关闭灌溉设备。
手动控制灌溉:
在不需要进行自动控制或者用户根据实际需要临时添加灌溉任务时，可以采用手动控制干预，使得灌溉控制具有一定的灵活性;
供电电源可选:
根据系统的配置方式不同，各个节点可选用不同的供电方式。
协调器采用壁挂式的安装方式时可选用AAA碱性电池供电或者电网供电的方式，采用便携式的协调器可采用AAA碱性电池供电;无线传感器节点采用微型太阳能电池供电;无线控制器节点在电网供电方便的地区可采用电网供电，若电
网供电不便并且太阳能资源比较丰富的地区可采用太阳能电池供电。
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