基于無線傳感網(wǎng)的城市綠地智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言

在灌溉控制方面，現(xiàn)在我國主要推廣的是半自動化灌溉 系統(tǒng)。此類系統(tǒng)利用定時器控制灌溉，比人工控制系統(tǒng)節(jié)水。 可以根據(jù)經(jīng)驗針對不同氣候時段設(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)驗或參考 有關(guān)數(shù)據(jù)。若管理人員經(jīng)驗不足或獲得的參考數(shù)據(jù)準確性差， 編制的程序會導致灌水過量或不足，距離達到精確化、智能 化灌溉仍有很大距離 [1]。本文提出一種基于 ZigBee 無線傳 感網(wǎng)近距離通信和 GPRS 遠程通信獲取綠地信息，并通過網(wǎng) 絡(luò)自動控制或遠程手動控制設(shè)計方案，可以自適應控制灌溉， 達到智能灌溉的節(jié)水目標。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 

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 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，GPRS 網(wǎng)絡(luò)和控制終端組成 [2]。多個帶有溫 濕度傳感器的 ZigBee 節(jié)點均勻布撒在綠地上，負責實時采集 土壤溫濕度信息并通過 ZigBee 終端節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸給 ZigBee 路由器節(jié)點，路由器節(jié)點將數(shù)據(jù)融合然后傳輸給 ZigBee 匯聚 節(jié)點。ZigBee 匯聚節(jié)點通過串口連接 GPRS 模塊，該模塊將 數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給中心控制服務器。服務器將數(shù)據(jù)存入數(shù) 據(jù)庫并進行分析處理，然后得出決策信息。控制命令可通過控 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， 該節(jié)點控制閥門打開進行自動灌溉 [3]。

每個 ZigBee 節(jié)點負責一個小區(qū)域，節(jié)點均勻部署可以保 證獲取的數(shù)據(jù)有效準確，ZigBee 節(jié)點短距離通信傳輸信息功 耗小，可采用太陽能電池作為能源，不必更換電池且可延長節(jié) 點使用壽命。智能監(jiān)控服務器可以根據(jù)收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)做出 決策，發(fā)出信令控制電磁閥實施自動灌溉，該智能灌溉系統(tǒng)可 以改善現(xiàn)有的半自動及手動灌溉方式的浪費現(xiàn)象。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計 

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器 節(jié)點組成，傳感器節(jié)點實時監(jiān)測、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)測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號通過無 線多跳的通信方式發(fā)送給匯聚節(jié)點 [4]。無線通信與組網(wǎng)是無 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)點組成網(wǎng)絡(luò)并相互之間傳送數(shù)據(jù)，形成一個網(wǎng)絡(luò) 整體，從而完成各種復雜的任務，這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作 的基礎(chǔ)。IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議是由 IEEE 802.15.4 標準 的物理層（PHY），媒體訪問控制層（MAC），ZigBee 的網(wǎng)絡(luò) 層（NWK）和應用層（APL）所組成的，其突出的特點是網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)可保證極低成本、低功耗、易實施 [5]。TI 公司的 CC2530 射頻芯片內(nèi)置的 Z-Stack 協(xié)議棧實現(xiàn)了 ZigBee 協(xié)議，支持終 端節(jié)點、路由器節(jié)點以及匯聚節(jié)點的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸，可以做 很好地開發(fā)支持 [6]。

本系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)采用樹型拓撲結(jié)構(gòu)，整個無線傳感 網(wǎng)分為二層組網(wǎng)。第一層組網(wǎng)即終端節(jié)點與路由器節(jié)點組網(wǎng)， 終端節(jié)點分簇，路由器節(jié)點作為簇頭負責簇的形成以及終端節(jié)點信息的匯集。每個簇內(nèi)采用基于 TDMA 的 MAC 協(xié)議，各 個終端節(jié)點在不同時隙發(fā)送信息給路由器節(jié)點。第二層組網(wǎng) 即路由器節(jié)點與匯聚節(jié)點組網(wǎng)，簇頭之間采用 CDMA 機制與 匯聚節(jié)點通信。整個網(wǎng)絡(luò)工作過程為 ：終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)并 用 TDMA 機制發(fā)送給路由器節(jié)點，路由器節(jié)點負責數(shù)據(jù)融合， 然后將數(shù)據(jù)發(fā)給匯聚節(jié)點。因此，路由器節(jié)點不能休眠，較終 端節(jié)點功耗大。匯聚節(jié)點通過串口連接 GPRS 模塊，將信息發(fā) 送給遠程的控制服務器，客戶端連接服務器可以查看信息并 作出控制決策。 

ZigBee 終端節(jié)點由數(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)計結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

ZigBee 路由器節(jié)點由控制模塊、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)點沒有環(huán)境 監(jiān)測功能，但是連接有電磁閥可以控制水龍頭的關(guān)閉打開，完 成整個系統(tǒng)中控制部分的功能。

3 上位機軟件設(shè)計 

智能監(jiān)控系統(tǒng)是整個系統(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)，能夠為用戶提供準確的信息和快捷的查 詢手段，大大方便了用戶使用。服務器端監(jiān)控管理系統(tǒng)采用 JSP 實現(xiàn)，后臺采用 MySQL 數(shù)據(jù)庫來存儲綠地溫濕度采集的 信息，數(shù)據(jù)庫可存儲海量數(shù)據(jù)，并能進行組織管理，使得數(shù) 據(jù)查詢和使用更快速高效 [7]。通過 JDBC 連接前臺頁面與后臺 數(shù)據(jù)庫。

上位機軟件功能結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，主要包括前臺的監(jiān)測 模塊和控制模塊，以及后臺的用戶管理。監(jiān)測模塊可以實時顯 示當前采集的數(shù)據(jù)，并可以對歷史數(shù)據(jù)進行分析，以圖形等直 觀方式表示?？刂颇K可以選擇控制模式，比如手動控制或自 動控制，手動方式下則支持用戶管理設(shè)備。后臺管理員可以添 加用戶并進行管理，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

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，設(shè)計了一套基于 ZigBee 無線傳感網(wǎng)和 GPRS 的綠地遠程智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)整體框架設(shè)計， 并對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點硬件進行了設(shè)計，最后設(shè)計了控制中 心軟件。系統(tǒng)可以有效節(jié)約水資源，實施自動化精確灌溉，改 善現(xiàn)有手工或半自動灌溉方式。