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1、第 27 卷第 4 期农 业 工 程 学 报Vol.27No.42302011 年4 月Transactions of the CSAEApr.2011基于 zigbee 无线网络的土壤墒情监控系统胡培金，江 挺，赵燕东（北京林业大学工学院，北京 100083）摘要：为了提高农业灌溉用水利用率，针对传统有线网络采集布线复杂和成本高的缺点，该文设计了一套基于 Zigbee无线网络和 CC2430 MCU 的土壤墒情监测系统。该系统综合了 Zigbee 无线网络自行组网、自行愈合和超低功耗的优点，采用太阳能电池供电，能实时监测和记录土壤墒情信息，为进一步制定节水灌溉策略提供有力的数据支持。初步试验
2、结果表明，该系统运行稳定，丢包率低，能及时准确的监控土壤墒情信息，并将土壤含水率维持在适合植物生长的最佳含水量的范围之内。研究结果可为进一步开发更精准的自动灌溉系统提供数据支持。关键词：CC2430，土壤墒情，zigbee，监控系统，灌溉doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.04.040中图分类号：TP274+.5文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-04-0230-05胡培金，江挺，赵燕东.基于 zigbee 无线网络的土壤墒情监控系统J.农业工程学报，2011，27(4)：230234.Hu Peijin,Jiang Ting,Zhao Ya
3、ndong.Monitoring system of soil water content based on zigbee wireless sensor network J.Transactions of the CSAE,2011,27(4):230234.(in Chinese with English abstract)0引言中国水资源总量占世界水资源总量的 7%，水资源总量位居世界第 6 位，但是人均淡水资源量只有 2 200 m3，居世界第 119 位，是世界人均占有量的 1/4，是全球 13个贫水国之一。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
4、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1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2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，
5、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。收稿日期：2010-09-25修订日期：2010-12-12基金项目：林业公益性行业科研专项（200704040）；2008 北京市教育委员会共建项目（2008BJKY01）共同资助作者简介：胡培金（1984），男，江西人，主要研究方向为嵌入式系统设计。北京北京林业大学工学院，100083。Email:通信作者：赵燕东（1965），女，山东人，博士
6、，副教授，主要研究方向为智能检测与信号处理。北京北京林业大学工学院，100083。1系统设计1.1无线土壤墒情监测系统结构及工作原理如图 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3。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)4。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
7、2 所示5，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10。图 1系统结构Fig.1Framework of the system第 4 期胡培金等：基于 zigbee 无线网络的土壤墒情监控系统231图 2系统工作原理图Fig.2System schematic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12。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
8、络当中的各个节点之间就可以通信了13。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9。1.2硬件设计本文是基于 Texas Instruments 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 2.4 GHz ISM 波段应用，及对低成本、低功耗的要求11。CC2
9、591 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 400 m甚至上千米。图 3节点结构图Fig.3Framework of the node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8；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 6D
10、B 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 100 MHz 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
11、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软件设计该系统软件是基于 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7。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10 s 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
12、否在线。另一个任务是每隔 0.5 h 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
13、发送心跳包；2）向协调器发送节点含水率与电磁阀状态。2监测上位机监测上位机软件开发环境为 Visual studio 2008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、阀门状态等农业工程学报2011 年232图 4节点软件流程图Fig.4Flow of the node program图 5上位机监控软件流程图Fig.5Flow of the monitoring program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
14、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试验设计及验证为了验证系统的各项性能指标，本研究选取一块约为 300 m 450 m 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 1.5 m 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
15、8 和 20 cm 处的土壤含水率。3.1通信距离测试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9。单点测试时只开启网关和一个测试节点，从相距 50 m 开始依次加大测试节点与网关的距离，直至二者相距 300 m，测试节点每隔 10 s 向网关节点发送一帧数据包，记下 1 h 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 50 m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 300 m，测试节点每隔 10s向网关节点发送一帧数据包，记下 1 h 内网关节点收集到的数据包数
16、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 120 m时接收数据包 347 个，成功率为 96%；距离为 300 m 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 120 m 时接收到 336 个数据包，成功率为 93%；节点距离为 300 m 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 300 m 时，即使数据包接收率为 90%，也能很好地满足工程需要。图 6传输距离
17、测试Fig.6Test of transmission distance图 72010-05-182010-07-11 每天接收数据包量Fig.7Received packets in one day3.2网络稳定性测试路由节点每 10 s 向协调节点发送一帧数据包，每天工作 8.5 h，一共 3060 帧数据包。以下是协调器在从2010-05-182010-07-11每天接收来自距离自身300 m处第 4 期胡培金等：基于 zigbee 无线网络的土壤墒情监控系统233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%、8
18、4%、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土壤墒情监测测试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，20 min(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5 min 后再检测 20 cm 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6。从 2010-052010-07 运行效果（如图 8 所示）来看，8cm 处传感器含水率小于 20cm
19、 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。图 82010-0507 试验区含水率监测结果曲线图Fig.8Result chart of soil water content in irrigated field5结论本文基于 CC2430、CC2591 和 Z-Stack，设计了一套由太阳能供电的无
20、线土壤墒情检测系统。从传输距离试验中可以看出，单点传输距离为 300 m 时丢包率小于10%，组网后节点距离为 300 m 时丢包率小于 13%。网络稳定性测试试验表明，除大雨天气接收成功率低于 85%以外，其他时间段成功率都能维持在 86%以上。从含水率监测试验来看，监测数据和实际的降雨量能很好的吻合,由于电磁阀的介入，灌溉区域的含水率在一个值附近波动。通过以上的试验表明该土壤墒情监控系统运行稳定可靠，能为进一步开发更精准的自动灌溉系统提供数据支持。参考文献1靳广超，彭承林，赵德春，等.基于 zigbee 的土壤墒情检测系统J.重庆：传感器与微系统，2008，27(10)：9294.Zigb
21、ee-based soil humidity monitoring systemJ.2王建，雷斌.基于 zigbee 的土壤墒情监控系统设计J.西安：设计参考，2009，11(2)：3538.3瞿雷，刘盛德，胡闲斌.Zigbee 技术及其应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.4李文仲，段朝玉.Zigbee2006 无线网络与无线定位实战M.北京：北京航空航天大学出版社，2008.5乔晓军，张馨，王成，等.无线传感器网络在农业中的应用J.农业工程学报，2005，21(2)：232234.Qiao Xiaojun,Zhang Xin,Wang Cheng,et al.Applicatio
22、n ofthe wireless sensor networks in agricultureJ.Transactions ofthe Chinese Society of Agricultural Engineering,2005,21(2):232234.6章军富，陈峻崎，胡剑飞，等.基于 GPRS/SMS 和 C/OS的都市绿地精准灌溉系统J.农业工程学报，2009，25(9)：16.Zhang Junfu,Chen Junqi,Hu Jianfei,et al.Control system ofurban green land precision irrigation based on
23、 GPRS/SMSand C/OS embedded technologyJ.Transactions of theCSAE,2009,25(9):16.7包长春，石瑞珍，马玉泉，等.基于ZigBee 技术的农业设施测控系统的设计J.农业工程学报，2007，23(8)：160164.Bao Changchun,Shi Ruizhen,Ma Yuquan,et al.Design andrealization of measuring and controlling system based onZigbee technology in agricultural facilitiesJ.Tran
24、sations osthe CASE,2007,23(8):160164.(in Chinese with Englishabstract)8徐金星.无线传感器网络研究与设计D.杭州：浙江大学，2005.9章军富.基于Zigbee无线传感器网络的精准灌溉控制系统D.北京：北京林业大学，2008.Zhang Junfu.The Research on Pricision Irrigation SystemBased on ZigBee TechnologyD.Beijing:Beijing ForestryUniversity,2008.10 ZigBeeAllianceZ.ZigBeeDocu
25、ment053474rl3.December,2006.11 CC2430 PRELIMINARY DataSheet(rev.2.01)SWRS036EZ,TexasInstruments,2006.12 ZigBee Technical OverviewZ.ZigBee Alliance,May 2007.农业工程学报2011 年23413 ZigBee specification version 1.0Z.ZigBee TM Allianee,June,27,2005.Monitoring system of soil water content based onzigbee wirel
26、ess sensor networkHu Peijin1,Jiang Ting1,Zhao Yandong1(School of Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)Abstract:The main objective of this research is to improve the utilization rate of agricultural irrigation water with a soilmoisture monitoring system based on Zig
27、bee wireless network and CC2430 MCU.Unlike the complex wiring and costlywired network,ZigBee is a new mesh networking standard,which has the advantages of self-network-forming,self-healing and ultra-low power consumption.This solar-powered system realized real-time monitoring and recordingof soil mo
28、isture information,which could provide data supports for further water-saving irrigation strategy planning aswell.The system has been developed and tested with the ZigBee mesh network topology.Results showed that the systemhas high stability and low packet loss rates.This system could record the soil moisture of irrigated areas timely andaccurately and keep the moisture among the scope which is suitable for the plant growth.The research results canprovide references for further development of precise irrigation.Key words:CC2430,soil moisture,zigbee,monitoring and control system,irrigation