基于ZigBee?GPRS的土壤墑情檢測系統設計

胡小俊　趙濟景

摘 要： 隨著現代無線通訊技術的發展和普及，無線傳感器網絡的應用逐漸成熟。在此利用ZigBee 組成的無線傳感器網絡和GPRS 無線通信技術構成大范圍遠程溫濕度數據采集系統，進行了硬件和軟件的相關設計，并仿真驗證其合理性和可實現性。該設計可以實現土壤墑情的自動檢測和智能化節水灌溉，有利于促進農業現代化的發展。

關鍵詞： GPRS； 土壤墑情檢測； 無線傳感器網絡； 硬件系統

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0059?03

0 引 言

水資源是人類賴以生存的生命線，是經濟發展和社會進步的重要物質基礎，節約用水，既是關系人口、資源、環境可持續發展的長遠戰略，也是當前經濟和社會發展的一項緊迫任務[1]。我國用于農業灌溉的用水量占總用水量的75%，但其利用率只有45%，因此提高農業灌溉用水率有助于緩解水資源緊缺。此外，農業經營模式大型化、集約化的現代農業發展趨勢為推廣全面、統一、大型的自動化灌溉系統提供了必要條件，因此本文提出一種可以實時檢測、統計土壤墑情信息各項指標并進行智能化灌溉的遠程土壤墑情檢測系統[2]。

1 系統總體設計方案

1.1 采用ZigBee無線傳感器網絡加GPRS的組網方式

根據文獻[3?4]中對灌溉控制系統控制模式優劣的總結，以及對農田檢測對象特點的詳細分析，同時考慮到現有通信方式的技術特點、可行性和成本，本文提出了由GPRS網絡來傳送ZigBee無線傳感器網絡總節點匯總的溫濕度數據的傳輸方式。設計中采用樹狀網絡拓撲結構和實時喚醒ZigBee無線傳感器網絡節點的方式，有效地減少了子節點向總節點傳輸數據時發生的沖突并降低了節點功耗，同時采用GPRS網絡傳輸總結點數據的方式，不但可以降低使用GPRS傳輸每個節點的成本，而且使整個系統變得更加靈活、易推廣[3]。

1.2 基于無線傳感器網絡的土壤墑情檢測系統模型

本文提出的由ZigBee和GPRS組網方式的采集系統是由大量無線傳感器主節點、子節點和GPRS傳輸模塊組成的分布式信息采集系統，主節點具有與所連接子節點通信、匯聚數據、發布控制命令和通信路由的作用，子節點只有采集處理數據、接收命令和傳輸數據的作用[5]。系統中節點之間采用樹狀結構連接，子節點和路由節點的信息通過轉發最終傳輸給總節點，再通過GPRS模塊傳輸至網絡進行處理。其無線傳感器網絡拓撲結構如圖1所示。

系統采用IEEE 802.15.4的ZigBee通信協議及GPRS無線通信協議，依據農田墑情設定的主要檢測項目包括：土壤溫度及土壤濕度（以后需要時還可以檢測土壤的PH值、空氣的溫濕度、降雨量等），系統工作流程是ZigBee子節點采集處理溫濕度信息并發送給路由節點，路由節點將收集到的信息和自身采集到的溫濕度信息轉發給ZigBee主節點，由ZigBee主節點將數據通過GPRS網絡傳遞給中央信息控制中心，經分析處理發布灌溉命令實施智能灌溉。系統總體框圖如圖2所示。

2 系統的硬件設計

系統硬件設計是組建無線傳感器網絡的基礎，無線傳感器網絡節點的工作環境要求節點必須低功耗而且面積盡可能小，因此選擇可以工作在多個功耗模式、工作電壓為3.3 V的MSP430F149。它不僅空閑時最低功耗模式能耗極小，而且是TI公司為結合ZigBee應用而特別設計和推薦的[6]。圖2為土壤墑情檢測系統總體結構圖。同時，為彌補MSP430F149存儲空間小的不足，采用低功耗、工作電壓范圍大的E2PROM 存儲器24C02來擴展內存，它采用I2C總線的工作方式[5]。

節點中數據的無線傳輸質量要求較高，能耗也相對較大，采用Chipcon 公司出品的ZigBee 專用射頻芯片CC2420，其性能穩定、工作電壓僅1.8 V、多種工作模式、睡眠時能耗極低、喚醒時間短、功耗低[9]。

由于土壤溫濕度精確度不要求很高，系統可以適當的降低傳感器的精度以節約成本，選用集成度較高和輸出數字信號中方便好用的SHT10型溫濕度傳感器。為了保障整個系統穩定可靠的運行，供電部分必須設計合理可靠，系統所需的電源，只有+12 V和+3.3 V，分別用于電磁閥、傳感器和單片機所需電源的供應，因此電源的設計比較簡單，+3.3 V主要由穩壓芯片構成的相關電路構成，+12 V直接采用太陽能電池板和蓄電池。此在程序運行過程中能夠很好的實現電能的收支平衡。

系統中無線傳感器網絡節點包括主節點和子節點，子節點主要用于檢測土壤墑情、智能灌溉并組建ZigBee網絡，主節點除此功能之外還附帶有與GPRS網絡通信的GPRS模塊。由上述硬件的選用及各模塊的組成而設計系統子節點的硬件框圖如圖3所示。

3 系統軟件設計

基于硬件設計，軟件設計必須保證每個獨立的節點能夠正常的采集和處理溫濕度數據并控制電磁閥的開關，再將其作為一個節點加入整個網絡，從而構成ZigBee無線傳感器網絡完成無線通信和數據采集等[9]。圖4為整個系統的設計流程圖，下位機將采集的信息通過GPRS模塊傳輸給數據服務器，由服務器上運行的控制程序通過TCP/IP數據端口監聽傳輸的數據，通過TCP/IP協議解析獲得所需的數據，再把這些數據通過上位機后臺程序寫到相應的數據庫里面[10]。

另外，整個系統軟件設計中最重要的就是傳感器網絡的組建，ZigBee協議棧初始化之后開始組網：首先設置網絡的PAN ID、協調器的短地址并選擇信道來向周圍的節點發送信標幀用以尋求設備同步；其次，在子節點收到協調器廣播的信標幀時得到協調器的地址和信道，通過此信息便可申請加入網絡，與此同時，父節點會給它分配一個網絡地址，通過以上過程，即可完成系統組網。

圖4 系統軟件總體結構圖

4 系統調試

傳感器網絡是有一個主節點和多個子節點構成的，子節點正常工作是整個系統穩定的關鍵所在，ZigBee主節點的數據可以通過現有的GPRS網絡進行傳輸，因此在此只需對土壤墑情檢測系統的ZigBee節點進行仿真即可。

仿真中MSP430F149通過比較采集到的溫濕度的漏點與標準值相比較，從而做出判斷是否應該澆灌。仿真中分別選取土壤墑情中的兩種狀態即應該澆水和不應該澆水，給溫濕度傳感器設定相應的溫濕度值，由運行結果分析可知，在相應的環境下，ZigBee子節點可以根據采集到的溫濕度值做出判斷，智能的開啟或關閉電磁閥來正確控制是否進行灌溉，同時，子節點的正常工作可為系統穩定可靠運行提供有力保障。

5 結 語

本文就智能灌溉農作物方面提出了一種基于ZigBee傳感器網絡和GPRS的土壤墑情檢測系統，可以準確檢測影響土壤墑情的水分和溫度，并根據土壤溫濕度實現智能灌溉。主要提出了本系統的設計方案、組網方案、硬件設計和軟件設計，并完成了仿真調試。實驗證明，本系統可以在很大程度上提高土壤墑情檢測控制能力和實現智能灌溉，同時，采用ZigBee和GPRS的無線組網方案使系統變的更加靈活，便于推廣應用。

參考文獻

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4 系統調試

傳感器網絡是有一個主節點和多個子節點構成的，子節點正常工作是整個系統穩定的關鍵所在，ZigBee主節點的數據可以通過現有的GPRS網絡進行傳輸，因此在此只需對土壤墑情檢測系統的ZigBee節點進行仿真即可。

仿真中MSP430F149通過比較采集到的溫濕度的漏點與標準值相比較，從而做出判斷是否應該澆灌。仿真中分別選取土壤墑情中的兩種狀態即應該澆水和不應該澆水，給溫濕度傳感器設定相應的溫濕度值，由運行結果分析可知，在相應的環境下，ZigBee子節點可以根據采集到的溫濕度值做出判斷，智能的開啟或關閉電磁閥來正確控制是否進行灌溉，同時，子節點的正常工作可為系統穩定可靠運行提供有力保障。

5 結 語

本文就智能灌溉農作物方面提出了一種基于ZigBee傳感器網絡和GPRS的土壤墑情檢測系統，可以準確檢測影響土壤墑情的水分和溫度，并根據土壤溫濕度實現智能灌溉。主要提出了本系統的設計方案、組網方案、硬件設計和軟件設計，并完成了仿真調試。實驗證明，本系統可以在很大程度上提高土壤墑情檢測控制能力和實現智能灌溉，同時，采用ZigBee和GPRS的無線組網方案使系統變的更加靈活，便于推廣應用。

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4 系統調試

傳感器網絡是有一個主節點和多個子節點構成的，子節點正常工作是整個系統穩定的關鍵所在，ZigBee主節點的數據可以通過現有的GPRS網絡進行傳輸，因此在此只需對土壤墑情檢測系統的ZigBee節點進行仿真即可。

仿真中MSP430F149通過比較采集到的溫濕度的漏點與標準值相比較，從而做出判斷是否應該澆灌。仿真中分別選取土壤墑情中的兩種狀態即應該澆水和不應該澆水，給溫濕度傳感器設定相應的溫濕度值，由運行結果分析可知，在相應的環境下，ZigBee子節點可以根據采集到的溫濕度值做出判斷，智能的開啟或關閉電磁閥來正確控制是否進行灌溉，同時，子節點的正常工作可為系統穩定可靠運行提供有力保障。

5 結 語

本文就智能灌溉農作物方面提出了一種基于ZigBee傳感器網絡和GPRS的土壤墑情檢測系統，可以準確檢測影響土壤墑情的水分和溫度，并根據土壤溫濕度實現智能灌溉。主要提出了本系統的設計方案、組網方案、硬件設計和軟件設計，并完成了仿真調試。實驗證明，本系統可以在很大程度上提高土壤墑情檢測控制能力和實現智能灌溉，同時，采用ZigBee和GPRS的無線組網方案使系統變的更加靈活，便于推廣應用。

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