zigbee技术在农业自动化灌溉中的研究
目 录
一、绪 论1
（一）课题背景1
（二）课题意义1
二、ZigBee 技术1
（一）IEEE 802.15.4 简介1
（二）ZigBee 协议 1
三、农业自动化灌溉系统方案设计 3
（一）总体设计要求3
（二）实现方案3
（三）系统的构造3
四、ZigBee 农业自动化灌溉系统硬件设计4
（一）ZigBee 模块选择 4
（二）接口电路设计4
（三）供电电源选择5
（四）模拟信号处理电路5
（五）灌溉阀门5
五、农业自动化灌溉系统软件设计 6
（一）会聚节点软件设计6
（二）上位机通讯协议7
六、农业自动化灌溉系统测试与应用 8
（一）系统的功能测试8
（二）系统的应用10
七、结束语 11
参考文献 12
致 谢13
一、 绪 论
（一）课题背景
随着无线通信的发展，价格低，工作消耗少，作用多无线传感器开始得到生产，它有数据的收集，很多传感器节点组织起来构成无线传感器网络。无线传感器网络，不仅可以提高生产效率跟安全性能，减少成本，降低劳动强度，便于管理，增加经济收入。
ZigBee 在无线传感器网络中是一个中双向通信技术，它距离近，复杂程度不高，生产需要的成本也低，在监控跟自动化的运用中可以更好的应用。
农业自动化不仅改变生产率，也可以提高舒适度，随着经济发展，在农产品的进口跟市场剧烈的竞争下，农业生产拥有高 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
效率，高精度的自动化是必定的选择。
（二）课题意义
对ZigBee无线传感器网络进行利用研究，做出合适我国农业的有关无线自动化监测控制的系统，将作用在农田温室等环境中，对坏境的监测，植物的生长监控测量等。
本课题所表述的ZigBee技术在农业无线自动化监测控制系统，适合我国农业发面，能够推动我国农业自动化程度，主要应用在无线自动化监测灌溉控制方面。
二、 ZigBee技术
ZigBee联盟是一个高速增长的组织，基于IEEE802.15.4标准具有可靠性高，消耗小的特点的网络规格为ZigBee标准，其打算利用无线网络功使ZigBee技术与其他的电子产品融合，范围广泛。
IEEE802.15.4是IEEE确定的速率低，无线个人局域网络标准。ZigBee技术从IEEE802.15.4标准出发，定义出可以不是来自一个厂家制造的设备之间能够兼容的纲要。
（一）IEEE802.15.4简介
为了符合功作消耗小要求，IEEE委员成立了专门的工作组，并且为个人或家庭不同设备间互相连接提供一个统一标准。复杂度不高，成本也不高，工作消耗也小，可以用在低生产成本的设备之间来开始低数据率的传输。
（二）ZigBee协议
1.ZigBee协议结构
ZigBee是在IEEE确定通过的802.15.4无线标准研究出来的。给网络层的协议做出了标准要求，也对其中的API做出了相应的标准化，并且也没有对路由传输的数目进行相应的限制跟要求。为了安全，做出了为了其安全的安全层，来确保这个利于携带的设备不会遗漏内容，而且远距离网络通信也可以保证信息不要被别的得到。其框架结构如图2-1示。
图2-1 框架结构
2. ZigBee拓扑
ZigBee有3种拓扑结构：星型(Star)，树形(Tree)和网状(Mesh)。3种类型如图2-2所示。
图2-2 三种拓扑结构
3. ZigBee无线传输
（1）ZigBee协议帧：
MAC报头：报头里面有传输消息的源地址跟目的地址。
APS报头：包括配置ID跟当前情况下消息的目的终端。
APS有效载荷：包括待应用层处理的ZigBee协议帧。
（2）信息发送的寻址方法
协议中的任一节点都有2个地址：①64位的IEEE MAC地址②16位网络地址。并且每个用ZigBee协议来进行通信的设备都有一个与之对应的64位MAC地址。当成功加入后，会分配给连接成功的设备一个16位地址。那么这个连入的设备就能用分配的地址跟其它设备连接。
三、 农业自动化灌溉系统方案设计
（一）总体设计要求
农业监测也就是测量土壤的温湿度，土壤的所含成分，pH值的高低，温度的高低，光照强度等，为农业控制提供依据，增加产量，改变生长周期，增加经济收入，设计总体要求如下：
1．利用传感器来收集环境中的各种数据，例如土壤的温湿度，空气的温湿度传感器等。
2．通过指令来对实验区域进行工作。
3．上位机软件可以根据用户的浇灌需求，给出对应的浇灌措施。
4．具有耐高温低温，防水，防雷电，使其可以长时间的在农业坏境中继续工作。
5．通信安全可靠。
6．系统低功耗，低成本。
（二）实现方案
路由以及终端节点都有监控功能，电池供电，工作在农业环境中，用于数据收集跟电磁阀控制。上位机软件发出指令，来收集控制节点接收到命令并且行使上位机软件发出的监控控制指令，实现自动化灌溉。
（三）系统的构造
系统分为控制中心跟灌溉区域，整体框架图如图3-1示。
图3-1 整体框架图
1.灌溉区域
灌溉区域安装电磁阀跟各种传感器，节点收集数据将数据上传给上位机软件，上位机接收指令开启关闭电磁阀，达到浇灌。
2．监测控制中心
上位机和会聚节点都安装在监测控制中心。使用网状拓扑结构来来进行组网保证其安全性。上位机开启关闭电磁阀门进行工作，因为传感器与阀门相互联结，我们以设置数据的上下限数值，把我们要求控制电磁阀门的控制要求指令发到会聚节点上，会聚节点在把我们发送的控制要求的指令发到对应的收集节点上面，打开其相对应的电池阀门来开始实行灌溉。
四、 ZigBee农业自动化灌溉系统硬件设计
按照ZigBee节点功能的不同分为：会聚跟收集控制节点。两者只有网络层不相同。前者负责启动跟管理全部网络，后者仅仅是加进网络，每个硬件由控制器跟无线收发组成，按照之前设计的要求，收集节点的功能就是收集连续的传感器的数据，控制对应的电磁阀门的开放跟关闭，硬件框图如图4-1所示。
图4-1 自动化灌溉系统硬件框图
（一）ZigBee模块选择
目前关于ZigBee的生产商有许多，系统中用CC2430来做主节点的处理器。内置的8kb的RAM存储构成点对点通讯的协议栈，很利于软件的开发。晶振的休眠功能，减少工作消耗，模块内部还有加密的安全处理器跟硬件MAC地址加速，可以维持通信的稳定。其休眠模式下工作消耗低于5uA。通过分析，可以看出，该模块适合用在农业自动化监控控制。
一、绪 论1
（一）课题背景1
（二）课题意义1
二、ZigBee 技术1
（一）IEEE 802.15.4 简介1
（二）ZigBee 协议 1
三、农业自动化灌溉系统方案设计 3
（一）总体设计要求3
（二）实现方案3
（三）系统的构造3
四、ZigBee 农业自动化灌溉系统硬件设计4
（一）ZigBee 模块选择 4
（二）接口电路设计4
（三）供电电源选择5
（四）模拟信号处理电路5
（五）灌溉阀门5
五、农业自动化灌溉系统软件设计 6
（一）会聚节点软件设计6
（二）上位机通讯协议7
六、农业自动化灌溉系统测试与应用 8
（一）系统的功能测试8
（二）系统的应用10
七、结束语 11
参考文献 12
致 谢13
一、 绪 论
（一）课题背景
随着无线通信的发展，价格低，工作消耗少，作用多无线传感器开始得到生产，它有数据的收集，很多传感器节点组织起来构成无线传感器网络。无线传感器网络，不仅可以提高生产效率跟安全性能，减少成本，降低劳动强度，便于管理，增加经济收入。
ZigBee 在无线传感器网络中是一个中双向通信技术，它距离近，复杂程度不高，生产需要的成本也低，在监控跟自动化的运用中可以更好的应用。
农业自动化不仅改变生产率，也可以提高舒适度，随着经济发展，在农产品的进口跟市场剧烈的竞争下，农业生产拥有高 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
效率，高精度的自动化是必定的选择。
（二）课题意义
对ZigBee无线传感器网络进行利用研究，做出合适我国农业的有关无线自动化监测控制的系统，将作用在农田温室等环境中，对坏境的监测，植物的生长监控测量等。
本课题所表述的ZigBee技术在农业无线自动化监测控制系统，适合我国农业发面，能够推动我国农业自动化程度，主要应用在无线自动化监测灌溉控制方面。
二、 ZigBee技术
ZigBee联盟是一个高速增长的组织，基于IEEE802.15.4标准具有可靠性高，消耗小的特点的网络规格为ZigBee标准，其打算利用无线网络功使ZigBee技术与其他的电子产品融合，范围广泛。
IEEE802.15.4是IEEE确定的速率低，无线个人局域网络标准。ZigBee技术从IEEE802.15.4标准出发，定义出可以不是来自一个厂家制造的设备之间能够兼容的纲要。
（一）IEEE802.15.4简介
为了符合功作消耗小要求，IEEE委员成立了专门的工作组，并且为个人或家庭不同设备间互相连接提供一个统一标准。复杂度不高，成本也不高，工作消耗也小，可以用在低生产成本的设备之间来开始低数据率的传输。
（二）ZigBee协议
1.ZigBee协议结构
ZigBee是在IEEE确定通过的802.15.4无线标准研究出来的。给网络层的协议做出了标准要求，也对其中的API做出了相应的标准化，并且也没有对路由传输的数目进行相应的限制跟要求。为了安全，做出了为了其安全的安全层，来确保这个利于携带的设备不会遗漏内容，而且远距离网络通信也可以保证信息不要被别的得到。其框架结构如图2-1示。
图2-1 框架结构
2. ZigBee拓扑
ZigBee有3种拓扑结构：星型(Star)，树形(Tree)和网状(Mesh)。3种类型如图2-2所示。
图2-2 三种拓扑结构
3. ZigBee无线传输
（1）ZigBee协议帧：
MAC报头：报头里面有传输消息的源地址跟目的地址。
APS报头：包括配置ID跟当前情况下消息的目的终端。
APS有效载荷：包括待应用层处理的ZigBee协议帧。
（2）信息发送的寻址方法
协议中的任一节点都有2个地址：①64位的IEEE MAC地址②16位网络地址。并且每个用ZigBee协议来进行通信的设备都有一个与之对应的64位MAC地址。当成功加入后，会分配给连接成功的设备一个16位地址。那么这个连入的设备就能用分配的地址跟其它设备连接。
三、 农业自动化灌溉系统方案设计
（一）总体设计要求
农业监测也就是测量土壤的温湿度，土壤的所含成分，pH值的高低，温度的高低，光照强度等，为农业控制提供依据，增加产量，改变生长周期，增加经济收入，设计总体要求如下：
1．利用传感器来收集环境中的各种数据，例如土壤的温湿度，空气的温湿度传感器等。
2．通过指令来对实验区域进行工作。
3．上位机软件可以根据用户的浇灌需求，给出对应的浇灌措施。
4．具有耐高温低温，防水，防雷电，使其可以长时间的在农业坏境中继续工作。
5．通信安全可靠。
6．系统低功耗，低成本。
（二）实现方案
路由以及终端节点都有监控功能，电池供电，工作在农业环境中，用于数据收集跟电磁阀控制。上位机软件发出指令，来收集控制节点接收到命令并且行使上位机软件发出的监控控制指令，实现自动化灌溉。
（三）系统的构造
系统分为控制中心跟灌溉区域，整体框架图如图3-1示。
图3-1 整体框架图
1.灌溉区域
灌溉区域安装电磁阀跟各种传感器，节点收集数据将数据上传给上位机软件，上位机接收指令开启关闭电磁阀，达到浇灌。
2．监测控制中心
上位机和会聚节点都安装在监测控制中心。使用网状拓扑结构来来进行组网保证其安全性。上位机开启关闭电磁阀门进行工作，因为传感器与阀门相互联结，我们以设置数据的上下限数值，把我们要求控制电磁阀门的控制要求指令发到会聚节点上，会聚节点在把我们发送的控制要求的指令发到对应的收集节点上面，打开其相对应的电池阀门来开始实行灌溉。
四、 ZigBee农业自动化灌溉系统硬件设计
按照ZigBee节点功能的不同分为：会聚跟收集控制节点。两者只有网络层不相同。前者负责启动跟管理全部网络，后者仅仅是加进网络，每个硬件由控制器跟无线收发组成，按照之前设计的要求，收集节点的功能就是收集连续的传感器的数据，控制对应的电磁阀门的开放跟关闭，硬件框图如图4-1所示。
图4-1 自动化灌溉系统硬件框图
（一）ZigBee模块选择
目前关于ZigBee的生产商有许多，系统中用CC2430来做主节点的处理器。内置的8kb的RAM存储构成点对点通讯的协议栈，很利于软件的开发。晶振的休眠功能，减少工作消耗，模块内部还有加密的安全处理器跟硬件MAC地址加速，可以维持通信的稳定。其休眠模式下工作消耗低于5uA。通过分析，可以看出，该模块适合用在农业自动化监控控制。
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