李春1，倪伟新2，丁强3，符伟杰3

(1 河海大学计算机及信息工程学院，江苏 南京 210098；
2 水利部水文局，北京100053；
3 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京210012）

摘  要：ZigBee 是基于IEEE802.15.4的一种新兴的无线网络技术，具有功耗低、组网能力强、成本低等特点。简要介绍了ZigBee技术，提出一种基于ZigBee的微灌测控系统。根据ZigBee网络的特点，设计了微灌测控系统网络，表述其工作方式，给出了硬件和软件方案。
关键词：ZigBee；IEEE802.15.4；微灌；测控系统

0 前言
    缺雨少水是农业发展的一大瓶颈，而微灌是现代几大节水灌溉技术（渠灌，喷灌，滴灌等）中最有效、利用率最高的灌溉技术之一。建立一套高用水率，高性价比的微灌测控系统，对发展我国农业来说，意义重大。
    目前，国内大部分微灌系统都是采用有线方式来采集和传递墒情信息；另有提出用GSM/GPRS，CDMA等无线通信模块来传递信息的系统，GSM/GPRS无线通信模块，价格比较高，使用要收费，且需要借助于公用通信网，考虑到农场均在偏远地带，多处接收不到信号，可行性不大；还有的提出了点对点的近距离无线通信模块[1]，其组网性能不佳，也不能大规模组网。目前发展迅猛的WPAN(无线个人局域网)新通信技术－ZigBee，无需借助公用通信网的支撑，低功耗，分布面积广，在作物种植区中组网便捷，且建网成本低，适合用在微灌测控系统中。本文提出一种基于ZigBee技术的微灌测控系统，用来完成墒情信息的采集和传递，以及控制电磁阀动作，从而完成整个微灌控制的过程。

1 ZigBee技术简介
    在各种近距离无线通信技术层出不穷，竞争激烈的环境下，ZigBee以其低功耗、低成本脱颖而出。ZigBee技术是建立在IEEE802.15.4的基础上的。IEEE802.15.4是一种经济、高效，工作在868M/915M/2.4GHz频段的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。
    ZigBee是推动IEEE802.15.4在业界广泛使用的产业联盟，该技术于2002年由美国Motorola、日本Mitsubishi、荷兰Philip、英国Invensys等公司联合成立的联盟提出[2]。目前已有14个ZigBee促进组织成员，即Eaton、Ember、Freescale、Honeywell、HuaWei等。2006年11月，ZigBee联盟公布了首批ZigBee认证产品，有4家公司的产品入选:MaxStreamde的Xbee,、NECEngineering的ZB24FM-Z、S3C的GC63、Software Technologies Group的SensorNetwork Infrastructure ( SNI)。目前已获得超过150家公司的支持。ZigBee产品有省电，可靠，低成本，网络容量大和安全等特性。
     ZigBee协议的框架图如图1所示[3]。

2 干旱区域微灌测控系统的组成和特点
2.1 系统总体结构
    微灌是利用专门设备，将有压水变成细小的水流或水滴，湿润作物根部附近土壤的滴水方法，微灌包括滴灌，微喷灌和涌泉灌[4]。本文以滴灌系统为例，来架设整个微灌系统。微灌里有许多灌溉设备，在滴灌中所用的设备有毛管，支管，干管。所谓毛管，就是直接向灌水器配水的管道，支管是直接向毛管配水的管道，干管是直接向支管配水的管道[4]。滴灌就是滴水灌溉技术，它是将具有一定压力的水由滴灌管道系统输送到毛管，然后通过安装在毛管上的滴头、孔口或滴灌带等灌水器，将水以水滴方式均匀而缓慢滴入土壤，满足作物生长所需水分，它是一种局部灌水技术[5]。滴灌系统示意图如图2所示。

    图2中水从干管流向支管，通过支管流向毛管，再经过毛管均匀流向作物。连接支管和毛管的关键部件是电磁阀，通过控制电磁阀的开合，就可以使水流向作物或终止供水。电磁阀的开合通过RTU（远程终端单元）控制，每个RTU控制2个电磁阀。RTU与RTU之间通过ZigBee网络联系在一起。ZigBee在此处的作用，就是联络网关与RTU，使之信息互传。再通过其他多种通信手段，使网关与中心站之间信息互传。从而完成RTU与中心站，以及中心站到RTU之间的信息交换。
     根据SL427-2008《水资源监控管理系统数据传输规约》，要求在工作期间[6]：
     （1）整个网络ZigBee系统数据通信误码率小于 10－5，通信可靠度＞99.99％，控制可靠度＞97％；
     （2）监控中心正确接收1次所属全部监控站数据的时间不超过 2min，完成1次区域遥测站数据采集并完成灌溉设备的监控不超过 3 min。
    整个微灌测控的系统如图3所示。将灌区分成若干个小灌区，每个小灌区设置1个网关，各灌区通过网关和中心站联系；每个网关下面又有许多RTU，这些一起组成微灌测控系统。中心站根据各灌区的墒情信息，负责统一调度灌溉。比如，某个时刻，其中1个RTU采集来的墒情信息显示，该片区域土壤湿度值为作物需水警戒值，则发送命令，开启电磁阀，对该片区域进行灌溉；或者墒情信息显示该片区域湿度饱和，不需要再进行灌溉，则发送指令关闭电磁阀，停止灌溉，避免浪费。网关可以通过各种通信方式（GPRS、CDMA、互联网等）连接到中心站。网关的作用就是实现协议转换，比如，从ZigBee转换到TCP/IP，连接到互联网中，或者转换到GPRS通信网中，这样在ZigBee网络中传输的数据可以传输到公网中，从而实现远程监控。

    RTU是工作在监测点的终端单元，主要功能是采集墒情数据（在本系统中主要是土壤水分）和控制电磁阀动作。RTU由MCU、ZigBee通信模块、固态存贮模块、墒情采集模块和电磁阀控制模块等组成。MCU与ZigBee通信模块通过异步串行口连接（RS-232），固态存贮模块、墒情采集模块及控制电磁阀模块均通过通用I/O口与MCU连接。RTU与RTU之间的通信是通过ZigBee网络连接在一起，其通信过程完全遵循ZigBee通信协议。不同分中心的ZigBee网络分别属于自己的WPAN(个人无线局域网)，之间的网络号相异，不受对方干扰。

2.2 系统的工作方式
    ZigBee网络中有3种网络角色：ZigBee协调器、ZigBee路由器和设备。ZigBee协调器即是网络建立的起点，负责WPAN(无线个人局域网)的初始化，确定WPAN的ID和PAN操作的物理信道并统筹短地址分配。协调器在加入网络之后获得一定的短地址空间。在这个空间内，它有能力允许其他节点加入网络，并分配短地址，协调器还具备路由和数据转发的功能。
    根据功能不同，设备可分为全功能（FFD）和精减功能两种设备（RFD）。FFD可以与其他所有设备相连接和通信，而RFD只能与FFD相连接和通信。在1个ZigBee网络中，至少存在1个FFD充当整个网络的协调点，即WPAN协调点，ZigBee中也称作ZigBee协调点。1个ZigBee网络只有1个WPAN协调点。通常，WPAN协调点是1个特殊的FFD，具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，它负责建立新的网络，发送网络信标，管理网络中的节点，以及存储网络信息等。FFD和RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。此外，普通FFD也可以在它的个人操作空间(POS)中充当协调点，但仍然受WPAN协调点的控制。ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，1个ZigBee网络最多可容纳65535个节点[3]。
     IEEE802.15.4/ZigBee协议中明确定义了3种拓扑结构：星型结构(Star)、簇树结构(Cluster-Tree)和网状结构(Mesh)[3]，如图4所示。对于网状和簇树状结构，对应的路由算法分别为AODV和Cluster-Tree算法，前者能耗比较大，但具有灵活的路由查找能力，比较适合移动节点的情况；后者不需要路由表，扩展网络范围比较广，适合于静态或者慢速运动的节点[7]。

    在星状拓扑中，网络由一个ZigBee协调器控制。ZigBee协调器主要负责初始化，并维护网络及网络中的其他所有设备，这些设备均作为终端设备直接与ZigBee协调器通信。在Mesh或簇树网络中，ZigBee协调器负责启动网络并设置某些关键参数，网络可以通过ZigBee路由器进行扩展。树状网络通常使用基于信标的通信模式，Mesh网络允许完全的点对点通信。在微灌系统中，并不是简单地应用3种拓扑结构。簇树和网状结构各有优缺点，考虑到各RTU的时间同步性、同频干扰性、数据包丢失率等因素，应根据实际微灌系统进行网络设计，从而达到最优网络。
    测站系统采取定时开机和关机方式，即每一工作周期，通过时钟芯片定时触发测站MCU，使之进行开机或者关机。在每一工作周期的开始阶段，测站被时钟芯片唤醒。接着，测站开始墒情信息采集，并将数据存储到固态存储中，然后发送到中心站。中心站接收到数据，并存贮到数据库中。在没有关机之前，整个无线网络是活跃状态，中心站可以在这一段时间内，进行相关的参数设置，以及动作要求，比如，进行通信模块参数的设置，校时等等。每一次处理叫做一次事件，在每一次事件完成之后，如果没有其他事件，或者关机时间的来到，则处于待机状态，否则响应事件，或者关机。系统所进行的开启、关闭电磁阀，还有中心站主动招测墒情数据，都在这一时间内完成。其间ZigBee网络的节点处于活动状态才能够进行网络传输，节点处于不活动状态时，整个网络不工作。

3 RTU硬件逻辑图
    在此微灌测控系统中，ZigBee的RFC网络设备模块的MCU采用TI公司的生产的MSP430F135单片机。MSPF430系列单片机具有16位RISC结构，集成度高、外围设备丰富、功耗超低的特点，应用广泛[8]。微灌测控系统工作环境比较恶劣，通常使用的电源为普通电池，使用功耗较低的处理器，可避免经常更换电池，降低了管理人员工作强度，从而降低整个系统的运行成本。
     DIGI公司的ZigBee通信模块－Xbee ZNet 2.5 OEM RFModules，是ZigBee技术的首批认证产品。此模块共20引脚，直插式。通过RS323与MCU连接，最少只需连接3根线。射频部分芯片全部内部集成，外带天线，天线类型自选。制作电路板时，只需按照原理图引到20引脚的插槽中，插槽每个插孔链接模块的相应引脚。这样就可以让没有高频电路设计经验的人避免做PCB板的麻烦。工作电压3.3V，刚好与MCU相同,电源可以公用[9]。
    每个RTU上连接3个墒情传感器——土壤水份传感器，分别测量不同深度土壤的含水量。另外带2个双稳态电磁阀。双稳态电磁阀采用先进的脉冲和永磁技术，只需通过控制器切换脉冲的电极触点就可以改变阀的开、关状态，当控制器发出电脉冲时，驱动磁芯带动阀瓣克服永磁力产生上下位移、阀瓣到位后在永磁作用下处于自保持状态。双稳态电磁阀有响应迅速、使用简便、高效节能等优点。
     RTU硬件逻辑图如图5所示。
             

    网关选择DIGI公司的ConnectPort×8,使用GPRS通信模块或是以太网口，实现ZigBee局域网和中心站之间，ZigBee局域网和Internet网的互联。网关与ZigBee局域网为无线通信，与中心计算机之间选用IP网络通信接口[9]。

4 系统软件设计 
    整个系统软件流程图如图6所示。整个系统存在1个工作时间，即时钟芯片定时唤醒RTU和定时终止RTU工作期间。在此期间，中心站可以对RTU进行各种设置和主动操作。在此时间内，ZigBee模块处于活动状态，活动状态包括通信状态（发送和接收）和IDLE（空闲状态）[9]。一旦某些模块处于关闭或不工作状态，则会影响到其他RTU状态。
 

4.1 墒情信息采集
    墒情信息采集，是在每次开机过程中进行，或者中心站主动要求测站进行土壤水分测量，前者包含在初始化动作中，后者处于墒情信息采集子模块中，流程图如图7所示。
 

4.2 双稳态电磁阀的控制
    双稳态电磁阀是中心站根据墒情信息，主动要求RTU动作以开启或者关闭电磁阀，达到灌溉和停止灌溉的目的。流程图如图8所示。

5 结语
   本文结合ZigBee技术和当前的微灌系统，提出一种新的微灌测控自动化系统。根据ZigBee网络的特点，设计了微灌测控系统网络，以及其工作方式，接着给出了硬件和软件方案。利用ZigBee技术的省电，低成本，可靠，以及大容量等特性，可大大提高整个测控系统的性能和经济性。

参考文献
【1】 马德贵，蒋传平.基于无线数字传输的节水灌溉数据采集系统研究[J].安徽农业大学学报，2006，33（3）.
【2】瞿雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007，9.
【3】ZigBee Alliance. ZigBee Document 053474r06 Version 1.0.[Z].2004，10.
http://www.zigbee.org/Products/TechnicalDocumentsDownload/tabid/237/Default.aspx
【4】SL103-95, 微灌工程技术规范[S].
【5】郭彦彪，邓兰生，张承林.设施微灌技术[M].北京：化学工业出版社，2007，6.
【6】SL427-2008，水资源监控管理系统数据传输规约[S].
【7】杜焕军，张维勇，刘国田.ZigBee网络的路由协议研究[J].合肥工业大学报（自然科学版），2008，31（10）.
【8】泰龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实力精讲[M].北京：电子工业出版社,2007.
【9】Digi International.XBeeTM ZNet 2.5/XBee-PROTM ZNet 2.5 OEM RFModules Product Manual.
    http://ftp1.digi.com/support/documentation/90000866_C.pdf