基于ZigBee的农业灌溉流量监测计价系统设计

基于ZigBee的农业灌溉流量监测计价系统设计 摘 要 系统以ZigBee无线技术为核心，基于若干个无线传感器节点和非接触式IC读写器组成无线网络灌溉计价系统，以CC2430芯片作为处理器,着重讲解了zigbee模块和水流量器等基本硬件组成及无线网络的通信方式，另外还有非接触式IC卡及对应的读写器的理论知识和用法。中心节点和路由节点还有传感器节点，他们之间的通信是靠ZigBee无线网进行数据的传递的，具备信息发送和接收功能的传感器节点对流量数据进行采集，然后传送给路由器节点以及中心节点，中心节点汇总并分析处理此信息，最后中心节点处理器对IC读写器发出读写命令。

关键词： ZigBee；流量监测；计价；IC卡；节点 Abstract As the very important section of this system, ZigBee wireless net system for irrigation is based on some wireless sensor nodes and non-contacting IC reader-writer ,CC2430 slug act a CPU part of this system. What as the key entities are ZigBee module body, water flowmeter and no-wire correspondence methods, also learning the knowledge of non-contacting IC fiche and read-write device is important. The communication of central node, route nodes and sensor nodes is upon this Zigbee no-wire net. First, the sensor nodes gathers data and then send this informations to nodes of router and the central node. Later the central node gather and analysis the data, and eventually the central processor send read-write instruction to the read-write device.

Key words: ZigBee, Flow Monitoring, pricing, IC-card, nod 前 言 虽然我国的水资源总量在全球所有国家中的排名是第六位，但平均仅有2500立方米，相对来说较少，而且有较多的水旱灾害，水资源南北分布不均。在我国，有80%的水是用在农业中的，但是农业用水的利用率相对很多国家70%-80%的利用率来说是很低的，仅有45%左右。因此，采用现代科学技术进行农业智能化灌溉建设是非常有必要的，本文即是研究农业智能化灌溉建设其中一重要环节，即农业灌溉流量监测计价系统。采用这种系统有诸多优点，农业灌溉流量监测计价系统是由传感器技术，无线网络通信技术，非接触式IC卡技术，自动化技术综合在一起的灌溉计价系统，系统设计的目的是对用于农业灌溉的水进行刷卡计费，利用现代科学技术，减少劳动力的浪费，提高农业生产效率，而且方便快捷。 本设计的设计重点是ZigBee无线模块，利用这一无线网络，位于农田内的多个水流量计将采集到的灌溉用水流量信息传输到中心处理器，处理器通过分析处理发出对IC读写器进行读写操作的指令，这样便实现了农业灌溉流量监测计价。ZigBee技术在很多领域已经广泛使用，特别是工农业领域。作为短距离无线通信网络标准，ZigBee网络与已经存在的无线网络，例如WIFI，蓝牙等作对比，它有如下几个特点：高稳定性，低功耗，短延迟，自组网自修复能力强，电池寿命长，移动灵活等诸多优点。因此，在农业智能化建设中，Zigbee发挥的作用日益重要。 第一章 无线传感器网络概述 1.1 无线传感器网络的现状与前景 21世纪，随着科学技术的的不断发展前进，信息化社会已经形成，传感器技术——获取信息的首要和基本途径，也取得了飞速的发展。而在采集信息的方法上，传感器采集数据信息由原来的单独采集一步步发展到集成型和网络型，通过结合无线通信和自动控制，这种集成化的网络传感器技术肯定将获得普遍的应用。 第一代传感器网络运用的是点对点的传送方式，把早先的传感器与控制器直接相接，这种传感器网络在上个世纪七十年代的时候产生。随着时代的进步，通过与其他技术相结合的传感器，逐渐形成一个能够进行信息分析和信息运算的集成网络，这既是第二代传感器网络。在上个世纪末，现场总线技术就在传感器网络当中整个运用了，通过不断的发展和与各种技术相互组合，特别是与无线技术的结合，大量多功能传感器共同构成了具有智能化的传感器网络结构，这中最新形成的技术便是新一代无线传感器网络[1]。 作为新一代网络技术，它拥有十分广阔社会运用前景，它快速发展将会给整个人类社会带来重大影响。这种新技术在发展较好的国家一直受到特别的关注，在波士顿大学，教师和学生共同创建了一个组织——传感器网络协会，这一协会期待可以增进传感器联网技术的研究和应用。作为未来的新兴技术，《技术评论》将这一技术评作第一，因此可知，未来无线传感器网络必将迅速应用并给全社会带来重大变化。 如今在农业的生产过程中无线传感器技术已经有很多使用，通常是把许多的传感器节点集合成一个网络监督环境，如此一来，可以将各传感器采集到的信息分析处理，从而辅助农人迅速发现农业操作中的各种难题，甚至自动处理这些难题，这样农业生产操作便可以逐步从以人力为核心的劳动方式转到以信息和软件为核心的自动方式，一步步形成智能化的农业系统。 这样的无线传感器网络技术在农业的生产和运用有中有很多，除了本文将要设计的灌溉计价系统，另有大棚的监控系统，田地的灌溉系统，动物的生理监测系统以及农田虫害监测系统等多种多样的系统。 除了农业上的广泛运用以外，无线传感器网络在其他各领域也都有广泛的运用，例如产品检测、智能家居和空间探索等，基于本文是研究农业灌溉计价系统， 所以在其他领域的广泛应用便不再详细介绍。在可预见的未来，将无线传感器网络应用的地方将越来越广泛，并将给人类社会带来显著的效益[2]。

1.2 ZigBee无线网络技术

1.2.1 ZigBee技术简介 在通信技术的迅速发展过程中，作为通信技术之一，无线通信短距离通信技术越来越成为研究的焦点。随着多种多样网络终端的产品的产生，在农业和工业领域，为了便于生产发展，人们急需一中优秀的无线通信标准，并基于此标准进行互联，这种标准应具有近距离，低消耗，低费用，自动成网和自动修复的本领强这些优势。为了满足这种需求，ZigBee技术出现了。 蜜蜂（Bee）在觉察到口食的时候会进行Zigzag形跳舞，以此方式告诉其他蜜蜂，蜜蜂们运用这种方式实现口食方向，位置等信息的交换，完成了“无线”信息的传递。因此，人们便将这种近距离，低费用和低消耗的无信息传递技术形象的称谓Zigbee技术。

这种短距离，低速度，低功率无线通信网络技术已取得广泛和重要的应用。例如，如果用户间的距离比较近，当数据通信需求小，并且需要实时传输，如果使用服务器，基站设备来进行这种通信，通信速度可以得到保证，但是会浪费设备利用率且增加通信的成本，显然这种方式是不恰当的。除了这以外，有些地方是不方便更换电源的，这样低功耗的通信技术就有着显然的优点。ZigBee技术是无线个域网当中一种低速度的通信技术，它有不少技术上的优点：低成本，低复杂度，低功耗，等。它的发展潜力也是十分巨大的，正变得越来越受到人们的重视。

ZigBee无线传感器网络是一种分布式系统，它具有无中心，灵活，重量轻，节点体积小等特征，具有相当大的运用范围，在此优点之上，这种无线传感器网络与ZigBee相结合后，其在技术方面的优点更加显现。与现在各种各样的无线通信技术做对比，ZigBee成为了低费用，低消耗无线通信技术的首选。因此ZigBee将在很多地方取得普遍运用。

作为Zigbee联盟建议的一个简洁好用的无线通信方法——低消耗，低费用，高质量，稳定的无线网络通信标准是ZigBee联盟的最终目标。 1.2.2 ZigBee技术优点 ZigBee作为一种无线通信技术，具有以下多点优势： (1) 低功耗：ZigBee设备节能很低因为ZigBee传输速度快，传输功率仅为1mW，而且还采取了睡眠模式，功耗成为低。依据预算，ZigBee装置仅仅使用两节5号电池用的寿命就能够维持6个月甚至大概2年,这是别的无线设备瞠乎其后。 (2) 低费用： ZigBee模块最原先制造费用仅大约6美元，大概非常迅速就可以降为1.5—2.5美元, 而且ZigBee订定合同的专利费是无偿方式。成本低依然是ZigBee的一个重要的原因。 (3) 短延时: 由静止情形到工作情形延时特别短，移动仪器信息通道开通延时是15ms,静止到工作情形延时是15ms。 (4) 网络空间大： 一像星星形状布局的Zigbee网络体系至多能够囊括254个从仪器和一个主仪器， 一个区域内能够一并拥有至少一百多个ZigBee网络体系, 并且网络体系构成非常多变。 (5) 可靠: 使用了避免相撞的方式，一并给需求不动带宽的通讯交易提前留了独用时间空晰,躲开了传递数据信息的矛盾和相互争夺。MAC层选用了十分肯定的数据信息传递方式。在传递过程当中一旦出现问题能够进行重新发送。 (6) 安全：ZigBee供应周期其他额外的检查（CRC）基于检测数据包的完整性，身份认证和授权，AES-128加密算法的使用。 除了这以外，ZigBee作为无线通信形式，能够在915 MHz、868MHz和2.4GHz这3个频率区域上用,一次拥有无上20 kbit/s，40 kbit/s，250 kbit/s的传递速度，它的传递间隔对各个网络节点间的间隔能够由标准的75m，能够继续增加到扩充后的几百米，甚至几公里，依据使用方式和发射功率的大小决定，l台ZigBee仪器能够连结至少254个类似的仪器。此外，由于ZigBee具有低电特性的优势和一批高消费环节，感应式网络（传感器）的使用，有一个非常大的潜力，例如，保护检测，水电煤气计量数据记录，操作温度测量等，制造商不需要建立供电网络或更换电池。