基于無(wú)線傳感網(wǎng)的城市綠地智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

在灌溉控制方面，現(xiàn)在我國(guó)主要推廣的是半自動(dòng)化灌溉 系統(tǒng)。此類系統(tǒng)利用定時(shí)器控制灌溉，比人工控制系統(tǒng)節(jié)水。 可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)針對(duì)不同氣候時(shí)段設(shè)置不同灌溉程序，減少了灌 溉的隨意性。但灌溉程序設(shè)定仍依賴管理人員的經(jīng)驗(yàn)或參考 有關(guān)數(shù)據(jù)。若管理人員經(jīng)驗(yàn)不足或獲得的參考數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差， 編制的程序會(huì)導(dǎo)致灌水過(guò)量或不足，距離達(dá)到精確化、智能 化灌溉仍有很大距離 [1]。本文提出一種基于 ZigBee 無(wú)線傳 感網(wǎng)近距離通信和 GPRS 遠(yuǎn)程通信獲取綠地信息，并通過(guò)網(wǎng) 絡(luò)自動(dòng)控制或遠(yuǎn)程手動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案，可以自適應(yīng)控制灌溉， 達(dá)到智能灌溉的節(jié)水目標(biāo)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

智能監(jiān)控及灌溉系統(tǒng)整體框圖如圖 1 所示，系統(tǒng)主要由 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，GPRS 網(wǎng)絡(luò)和控制終端組成 [2]。多個(gè)帶有溫 濕度傳感器的 ZigBee 節(jié)點(diǎn)均勻布撒在綠地上，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集 土壤溫濕度信息并通過(guò) ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給 ZigBee 路由器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)融合然后傳輸給 ZigBee 匯聚 節(jié)點(diǎn)。ZigBee 匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口連接 GPRS 模塊，該模塊將 數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給中心控制服務(wù)器。服務(wù)器將數(shù)據(jù)存入數(shù) 據(jù)庫(kù)并進(jìn)行分析處理，然后得出決策信息。控制命令可通過(guò)控 制終端發(fā)出，由 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)铰酚善鞴?jié)點(diǎn)， 該節(jié)點(diǎn)控制閥門打開(kāi)進(jìn)行自動(dòng)灌溉 [3]。

每個(gè) ZigBee 節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)一個(gè)小區(qū)域，節(jié)點(diǎn)均勻部署可以保 證獲取的數(shù)據(jù)有效準(zhǔn)確，ZigBee 節(jié)點(diǎn)短距離通信傳輸信息功 耗小，可采用太陽(yáng)能電池作為能源，不必更換電池且可延長(zhǎng)節(jié) 點(diǎn)使用壽命。智能監(jiān)控服務(wù)器可以根據(jù)收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做出 決策，發(fā)出信令控制電磁閥實(shí)施自動(dòng)灌溉，該智能灌溉系統(tǒng)可 以改善現(xiàn)有的半自動(dòng)及手動(dòng)灌溉方式的浪費(fèi)現(xiàn)象。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計(jì) 

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器 節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi) 綠地溫濕度的信息，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過(guò)無(wú) 線多跳的通信方式發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn) [4]。無(wú)線通信與組網(wǎng)是無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能，其核心內(nèi)容是通信協(xié)議，通信協(xié)議 使傳感器節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)并相互之間傳送數(shù)據(jù)，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò) 整體，從而完成各種復(fù)雜的任務(wù)，這是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作 的基礎(chǔ)。IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議是由 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn) 的物理層（PHY），媒體訪問(wèn)控制層（MAC），ZigBee 的網(wǎng)絡(luò) 層（NWK）和應(yīng)用層（APL）所組成的，其突出的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)可保證極低成本、低功耗、易實(shí)施 [5]。TI 公司的 CC2530 射頻芯片內(nèi)置的 Z-Stack 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了 ZigBee 協(xié)議，支持終 端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及匯聚節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸，可以做 很好地開(kāi)發(fā)支持 [6]。

本系統(tǒng)中無(wú)線傳感網(wǎng)采用樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整個(gè)無(wú)線傳感 網(wǎng)分為二層組網(wǎng)。第一層組網(wǎng)即終端節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)， 終端節(jié)點(diǎn)分簇，路由器節(jié)點(diǎn)作為簇頭負(fù)責(zé)簇的形成以及終端節(jié)點(diǎn)信息的匯集。每個(gè)簇內(nèi)采用基于 TDMA 的 MAC 協(xié)議，各 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)隙發(fā)送信息給路由器節(jié)點(diǎn)。第二層組網(wǎng) 即路由器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，簇頭之間采用 CDMA 機(jī)制與 匯聚節(jié)點(diǎn)通信。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作過(guò)程為 ：終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并 用 TDMA 機(jī)制發(fā)送給路由器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合， 然后將數(shù)據(jù)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。因此，路由器節(jié)點(diǎn)不能休眠，較終 端節(jié)點(diǎn)功耗大。匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口連接 GPRS 模塊，將信息發(fā) 送給遠(yuǎn)程的控制服務(wù)器，客戶端連接服務(wù)器可以查看信息并 作出控制決策。 

ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集單元、信息處理單元、通信 單元和能源四部分組成，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

ZigBee 路由器節(jié)點(diǎn)由控制模塊、信息處理單元、通信單 元和能源四部分組成，如圖 3 所示。所以路由器節(jié)點(diǎn)沒(méi)有環(huán)境 監(jiān)測(cè)功能，但是連接有電磁閥可以控制水龍頭的關(guān)閉打開(kāi)，完 成整個(gè)系統(tǒng)中控制部分的功能。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 

智能監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的信息管理和控制核心，是數(shù) 據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)，能夠?yàn)橛脩籼峁?zhǔn)確的信息和快捷的查 詢手段，大大方便了用戶使用。服務(wù)器端監(jiān)控管理系統(tǒng)采用 JSP 實(shí)現(xiàn)，后臺(tái)采用 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)綠地溫濕度采集的 信息，數(shù)據(jù)庫(kù)可存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行組織管理，使得數(shù) 據(jù)查詢和使用更快速高效 [7]。通過(guò) JDBC 連接前臺(tái)頁(yè)面與后臺(tái) 數(shù)據(jù)庫(kù)。

上位機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，主要包括前臺(tái)的監(jiān)測(cè) 模塊和控制模塊，以及后臺(tái)的用戶管理。監(jiān)測(cè)模塊可以實(shí)時(shí)顯 示當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)，并可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以圖形等直 觀方式表示?？刂颇K可以選擇控制模式，比如手動(dòng)控制或自 動(dòng)控制，手動(dòng)方式下則支持用戶管理設(shè)備。后臺(tái)管理員可以添 加用戶并進(jìn)行管理，使得客戶端的登錄用戶查看數(shù)據(jù)或控制 系統(tǒng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了提高灌溉效率，節(jié)約水資源，結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗、 自組織等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于 ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)和 GPRS 的綠地遠(yuǎn)程智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)， 并對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點(diǎn)硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)了控制中 心軟件。系統(tǒng)可以有效節(jié)約水資源，實(shí)施自動(dòng)化精確灌溉，改 善現(xiàn)有手工或半自動(dòng)灌溉方式。