基于IPv6的ZigBee組網智能滴灌系統

許華宇 沈子雷

摘要：物聯網以及無線傳感技術的發展與應用，為智能滴灌系統的設計提供了新思路，ZigBee由于低功耗、低成本、自動配置組網等優點被廣泛應用于農田滴灌系統中。基于此，文章首先闡述了智能滴灌系統的工作原理和優勢，然后設計了一種基于IPv6的ZigBee組網智能滴灌系統，經無線組網測試，該智能滴灌系統運行良好。

關鍵詞：ZigBee;智能滴灌;系統設計

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0132-01

0 引言

隨著我國現代化建設進程的不斷推進，社會對資源的需求度在不斷提升。我國是農業大國，每年農業用水的消耗量巨大，且農業用水效率普遍較低，為了促進農業的可持續發展，滴灌技術應運而生。近年來，國家大力推廣農業滴灌技術，我國西北地區的農業供水大都采用滴灌技術。ZigBee由于低功耗、低成本、自動配置組網等優點被廣泛應用于農田滴灌系統中，因此，文章提出了一種基于IPv6的ZigBee組網智能滴灌系統具有重要的實用意義。

1 智能滴灌系統概述

1.1 工作原理

智能滴灌系統的工作原理是把水管口水壓力傳感器檢測到的信號回傳給系統內的單片機，由單片機將預設的水壓值和檢測到的信號進行對比，確定是否開啟或關閉電磁閥，進而實現對滴灌水量的精確控制。通常可根據種植經驗或試驗田實驗得出田地內待滴灌農作物的需水量，精確水量的滴灌可確保田地內的農作物始終處于最優土壤濕度環境。在系統確定滴灌流量時，單片機同樣會將水管口處的實時壓力值無線傳輸至控制中心，控制中心可對各節點的工作情況進行實時監控。比如，在滴灌的過程中，如果出現通信中斷、水壓異常等問題，則控制中心內的管理人員可直接向現場管理人員下達維護指令，確保系統運行的穩定性。

1.2 智能滴灌的優勢

在以往，我國農村基本上采用溝灌的形式對田地內的農作物進行灌溉，雖然該種形式的灌溉在短時間內可以進行大范圍的田地灌溉，但該種形式的灌溉沒有考慮到農作物實際的水源需要，一次性大量的水體灌溉往往會導致田地內的濕度急劇增加，結果農作物極易受到病蟲的危害，且一次性大量水體的涌入，導致土層被沖刷，容易造成土壤板結，不利于農作物成長。相比于傳動的溝灌形式，自動灌溉系統具有明顯的優勢：（1）節約成本，自動化程度高。（2）減少了灌溉過程中水體的蒸發，有利于水體緩慢進入土壤。（3）有利于保護土層結構。（4）節省化肥用量，減小土體污染。

2 基于IPv6的ZigBee組網智能滴灌系統設計

2.1 組網方式

在本文所設計的ZigBee組網智能滴灌系統中，ZigBee無線傳感網絡是由一個協調器節點、適當數目的路由器節點和多個終端節點組成。路由器節點為全功能節點，能夠與相鄰路由器和終端節點通信，終端節點是精簡功能節點，該節點只能夠與相鄰的路由器節點進行通信。多數控制器在ZigBee網絡中作為一個終端節點，和相鄰路由器節點間的關系構成為“父子”關系，由路由器和協調器連接。ZigBee網格拓撲組網方案如圖1所示。

在這種聯網方法中，網絡組建結構為網狀結構。優點如下：（1）網絡拓撲清晰，傳輸路徑可靠性高，對于智能滴灌系統在運行中出現的故障則能夠及時給予警告。在智能滴灌系統中，電磁閥作為ZigBee網絡終端節點，這樣最大限度地確保了智能滴灌系統中各個組分節點間的連接，進而實現整個智能滴灌系統的降耗節能，確保系統運行的持續性。在ZigBee網絡中，各個組分的終端節點能夠結合智能滴灌系統的需求進行睡眠或喚醒的調整。（2）控制延遲小。該種形式下的聯網模式，可以最大限度地減少路由器的節點，且路由器節點可充分利用太陽能進行充電，一致保持工作狀態。

2.2 硬件設計

在本文所設計的ZigBee組網智能滴灌系統中核心組件為TI公司生產的CC2430芯片，主要是利用該芯片作為智能滴灌系統控制器的微處理器，同時為確保系統信號收接的穩定性與一致性，選取該公司的CC2591作為智能滴灌系統放大器。CC2430芯片其內部包含一高集成化的2.4hGHz直接序列擴頻接收器，8KB靜態RAM，32k/64k/128k字節片上閃存，8到14位ADC，看門狗定時器，上電復位電路，AES-128協處理器和21個可編程I/O引腳，兩個可編程USART。根據實際需求本文所設計的ZigBee組網智能滴灌系統主要性能如下：（1）滿足智能滴灌系統中電磁閥的自動啟閉。其中，智能滴灌系統中所使用的電池閥為Israel Bermet生產的電磁閥，該型號的電磁閥在運行中需要持續供給電壓5-20V，當智能滴灌系統在運行過程中，檢測到其電磁閥電流超過500mA時進，正向電流開啟電磁閥，反之，反向電流則關閉電磁閥。（2）能夠實時地對智能滴灌系統中水壓信息進行獲取。智能滴灌系統可以利用水壓傳感器對水壓信息進行實時獲取，其中水壓傳感器的工作電壓為9-36V。（3）智能滴灌系統的通信功能距離大于200m。（4）為確保智能滴灌系統供電的穩定性，設置兩套供電電源，終端節點為采用3V和9V干電池供電方式，路由器節點則使用6V電池供電，且可以利用太陽能進行充電與儲電。（5）能夠對系統的運行狀態進行檢測。

2.3 無線組網測試

TI所使用的通用數據包探測器可監視未加密的通信。因此，可以將其用于通訊和網絡測試，在對各組分節點進行供電后，則各組分協調節點會向系統發送出請求指令，等待網絡的接入并加入目標節點。此時，系統內所設定的路由器節開放，并繼續向控制系統發送信標請求操作，而各組分的協調路由器則會向控制系統發送超幀并等待系統路由器節點的同步操作，完成上述操作后，各組分協調節點會建立一個網絡號為0x0011名稱的接入點，當路由器利用超幀完成于各協調節點同步工作后，將其反饋給控制系統，同時發出連接網絡請求限號。根據上述通信網絡的測試，得知系統通信運行正常，能夠滿足設計所預定的目標。

3 結語

本文利用ZigBee技術的短距離通信、低功耗、大容量、低成本、高安全性，設計了一種基于IPv6的ZigBee組網智能滴灌系統，解決了現場滴灌控制系統的網絡設計問題，通過無線組網測試，發現該設計能夠滿足實際需求。