摘要：ZigBee是一种廉价的低功耗近距离无线组网通信技术，具有低功耗、低成本、低速率、短延时、高网络容量等特点。目前，ZigBee技术已经广泛应用于无线通信领域。本设计针对传统农田灌溉采取大水漫灌和人工粗灌方式，对水资源浪费极大，且在田间布线设备的安装及维护都极其不便，费时费力效果不佳。因此提出了基于ZigBee的节水灌溉系统，介绍了系统硬件构成，软件设计和工作过程。该系统通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采用星形网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行气象因素、蒸腾量和农田土壤含水率等信号采集、变化后通过ZigBee技术送给上位机监控中心。管理人员通过上位机能够随时掌握土壤的环境状况，最终由控制器执行灌溉操作，以实现节水的目的。

关键词：ZigBee，无线传感器网络，节水灌溉，数据采集，上位机

1 主要内容

本文设计一种基于ZigBee和LabVIEW技术的自动灌溉系统.其通过传感器实时监测对土壤湿度有决定性作用的环境参数，利用ZigBee技术进行组网，实现数据的无线传输，然后利用LabVIEW设计人机界面，实现了数据的记录、显示、处理等功能，CC2530控制执行器，能够做到按需、按时、按量给作物灌溉，因而可提高灌溉水的利用率、节约水资源，同时能够降低管理成本、提高经济效益。

2 研究方法

2.1 系统总体结构

系统结构如图2-1所示，由上位机，网关，终端节点和执行机构组成。传感器安装在终端节点上。执行机构为控制灌溉开闭的电磁阀（在本次设计中使用继电器代替）和报警提示蜂鸣器。

上位机：位于监控室，完成对所采集温度和湿度，光照强度的汇总与显示。采集到的数据实时保存到文档中，同时以折线图的形式实时反映出温度的变化趋势，使其更为直观。

网关：即协调器，作为信息收集终端，放置于监控室，完成网络的建立与维护，和节点之间绑定的建立，实现数据的汇总，然后以有线的方式传送到上位机软件，进行进一步数据处理。本设计采用RS-232串口将采集到的数据发送到上位机。

终端节点：即采集终端，放置在需要采集土壤湿度和空气温度的地方。温度采集终端可以实现网络的加入、与协调器绑定的建立、土壤湿度的检测、光照强度的检测。检测到的温度和湿度以及光照强度通过ZigBee无线网络发送到协调器。

执行机构：电磁阀（继电器）控制水泵灌溉和蜂鸣器报警提示当终端采集节点采集到的数值超过设定值后，蜂鸣器完成提示功能，同时启动电磁阀，有效地节约了水资源，减少浪费，提高灌溉效率。

图2-1节水灌溉系统结构图

2.2 协调器节点硬件设计

ZigBee协调器节点硬件设计，该节点由无线收发器CC2530、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。RF的输入、输出是高阻和差动的。当使用不平衡天线时，为了优化性能，应当使用不平衡变压器。不平衡变压器可以运行在使用低成本的单独电感器和电容器的场合。电源模块用于CC2530的数字I/O和部分模拟I/O的供电，以满足不同的要求。串口电路用于CC2530将接收到的数据传送给上位机，由于上位机与CC2530的电平不一致，所以在设计串口时需要使用一个MAX232电平转换芯片完成CC2530与串口的电平转换。本设计采用CC2530芯片，故无线收发器与单片机都是其内部电路，不需要独立设计，只需要完成芯片的外围设计即可。协调器节点的系统框图如图2-2所示。

图2-2协调器节点系统设计框图

2.3 终端节点硬件设计

该节点由无线收发器CC2530、射频天线RF、电源模块、晶振电路、串口电路、蜂鸣器、土壤湿度传感器、温度传感器，光照强度传感器组成。首先由土壤湿度传感器采集环境中土壤湿度数据，其输出的电流信号经过高精度的电阻装换为0-5V的电压后交由CC2530进行AD装换为数字信号，然后由无线收发器传输给协调器。温度传感器将采集到的数据经过内部程序的处理直接送入到单片机内部。若土壤湿度或者温度超过设定值就会触发蜂鸣器提示，并且启动电磁阀进行灌溉，从而减少了对水资源的浪费，提高了灌溉效率，如图2-3所示。

图2-3终端节点的硬件设计框图

3 主要成果

在本次设计中协调器接和终端节点的基础硬件设计是相同的，只是终端节点增加了传感器的部分外围设计。因此，在下载程序时注意分别配置成不同的功能。下载协调器程序到协调器节点、终端节点程序到终端节点后，然后运行程序。在上位机上能正确接收到节点的地址以及所采集到的空气温度值、土壤湿度值和光照强度值等等。

在本系统中上位机监控软件起着至关重要的作用，主要负责显示由网络节点传输来的节点数据，并且做出表格和图形的显示以及简单的处理等工作。本次设计的上位机监控界面分为两个重点界面，分别为登录界面和总显示界面。

经测试，系统软硬件均工作正常，实现了任务书中要求的功能，可实现由放置于终端节点的传感器采集农田气象数据，经终端节点射频模块无线发送，传输至协调器节点，协调器节点接收数据并经由RS232总线与PC机直接相连，将从终端节点采集的数据发送至PC机的上位机界面显示并作出相应处理。

其次，测试中，土壤湿度值传感器采集的是土壤湿度值，温度采集的是室温，其输出的数字信号通过CC2530进行采集经天线发送，协调器接收，最终显示到上位机上的数值基本和设计数据基本一致；并且人为改变上述气象数据，上位机显示值也随环境变化而变化，顺利绘出温度的折线图并且能够存储数据和报警。

再者，执行机构可以正常的模拟生产实际进行开关继电器（电磁阀）操作。

总体上来讲，本设计基本完成了预期的目标和要求。

4 小结

本设计中将系统分为上位机和下位机两部分。由于是初次接触到ZigBee技术，对于其中的很多的问题都非常的困惑，并且这项技术的资料比较少，可以参考的资料也不完整，个别器件资料网上，图书馆里都找不到，导致在整个设计中出现了许多的问题和困难，也走了许许多多的弯路。最终经过不断反复地尝试和实验，才最终成功的解决各种问题。

下位机由终端节点，网关(协调器)，执行机构组成。负责完成信息的采集、传输和控制，下位机是本设计的关键环节，也是花费最多时间去试验完成的部分。任务书中规定了采用了ZigBee技术来传输数据，因此需要设计自组的网络系统。主要问题是软件的编程。CC2530采用C语言编程，实现ZigBee自组网络我们都相当陌生。查阅的大量的资料和案例，终于了解到组建网络需要下载协议栈，在协议栈的基础上开发自己的任务。

上位机完成数据的显示和分析，本设计采用Labview编写。最终需要实现上位机从PC机串口接收协调器发来的数据，并显示在上位机界面上。编程中存在的困难主要集中在从协调器发来的数据包如何和Labview中的控件统一，最终将数据取进来并正确显示。调试过程中可以采用串口调试助手观察数据的情况，以便核对上位机收到数据是否与所设计发送的数据格式一致。查阅大量资料，反复修改和实验终于经过不断地努力，最终完成了任务书要求设计的功能。

参考文献

[1]李文仲,段朝玉等.ZigBee无线网络技术入门与实践[M].北京:北京航天航空大学出版,2012:46-58.

[2]刘海波.ZigBee无线传感器模块设计[J].传感器与微系统,2012,31(5):196-197.

[3]钟永锋,刘永俊.ZigBee无线传感网络[M].北京:北京邮电大学,2011:123-135.

[4]宋志.ZigBee无线传感器网络在环境监测系统中的应用[J].华北科技学院学报,2011,32(2):46-48.

[5]李婧.ZigBee无线传感器网络在田间数据采集中的应用研究[D].河北:河北农业大学，2011.