1、基于ZigBee技術(shù)的綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)1我國(guó)綠地灌溉現(xiàn)狀 1.1綠地灌溉特點(diǎn) 城市綠地?fù)?dān)負(fù)著改善環(huán)境、增加美感、陶冶性情等等的重要使命，因此它被人為地要求要經(jīng)常保持青綠旺盛的生長(zhǎng)狀態(tài)，加之城市綠地不同于自然狀態(tài)的特殊環(huán)境條件，使得綠地灌溉體現(xiàn)出了以下的特點(diǎn): 綠地灌溉的耗水量很大。任何植物的耗水量中只有極少部分用于植物機(jī)體的建造，而大量的水分是用于植物的生理蒸騰和地面的蒸發(fā);而在城市中，由于人群活動(dòng)和車(chē)輛運(yùn)行的擾動(dòng)，城市綠地的地面蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然狀態(tài)下生長(zhǎng)的植物，這就使得城市綠地植物要常年保持旺盛的生長(zhǎng)狀態(tài)，其耗水量是相當(dāng)大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市綠地的耗水量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠地耗水量的2

2、.5一3倍。 綠地灌溉要連續(xù)穩(wěn)定。城市綠地用水的隨機(jī)率很高，而且是連續(xù)性的，用水的時(shí)間間隔非常短，灌溉要頻繁、及時(shí)，比如一些體育運(yùn)動(dòng)或者競(jìng)賽的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，這就對(duì)灌溉系統(tǒng)性能一的連續(xù)、穩(wěn)定提出了一定的要求。綠地灌溉對(duì)水質(zhì)和噴灑質(zhì)量的要求較為嚴(yán)格，特別是對(duì)高級(jí)觀賞植物和高爾夫球場(chǎng)的草皮，要求噴灌均勻度較高，如有漏噴或噴灑過(guò)量都會(huì)造成嚴(yán)重的損失。綠地灌溉多數(shù)在夜間進(jìn)行。白天灌溉的蒸發(fā)損失量大，而夜晚灌溉比白天少消耗10%以上的水量;有些草坪白天不允許灌溉，例如有比賽活動(dòng)的高爾夫球場(chǎng)，以及進(jìn)行娛樂(lè)活動(dòng)的公園娛樂(lè)區(qū)等等。托普物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)今的信息時(shí)代，不但對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著杰出的貢獻(xiàn)，也逐漸的把物聯(lián)網(wǎng)遍布各個(gè)領(lǐng)域，

3、綠地灌溉也是現(xiàn)在國(guó)家較為關(guān)心的問(wèn)題，這套系統(tǒng)的研發(fā)，不僅節(jié)省人力、資源，也代表著信息技術(shù)在灌溉領(lǐng)域的充分利用。 綠地灌溉要注意景觀保護(hù)和環(huán)境效果。精心設(shè)計(jì)的噴灌系統(tǒng)，要正確選擇噴頭和進(jìn)行噴點(diǎn)的布置，不僅要能滿足綠地需水，而且在灌溉時(shí)可以形成水動(dòng)的景觀效果，增加城市綠地的藝術(shù)性，增強(qiáng)其美化城市的功能。 1.1.1我國(guó)綠地灌溉現(xiàn)狀 過(guò)去，由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展不夠成熟，我國(guó)綠地灌溉基本上是以人工控制灌溉為主，灌溉方式一般是采用大水漫灌或者人工噴灑模式。這種灌溉方式、方法只能改變土壤濕度，對(duì)綠地植物生長(zhǎng)的小氣候影響很小;隨意性大，常常發(fā)生該灌水時(shí)無(wú)人開(kāi)閥，不該灌水時(shí)又無(wú)人關(guān)閥，導(dǎo)致一邊下雨一邊噴水，草地變

4、人工湖，馬路變排水渠的情況屢見(jiàn)不鮮;由于不能及時(shí)灌水、過(guò)量灌水或灌水不足，難以控制灌水質(zhì)量，對(duì)綠地植物的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生了不良影響;在某些需要夜間灌水的情況下，例如白天有比賽活動(dòng)的高爾夫球場(chǎng)等，灌溉管理的人力消耗大，工作強(qiáng)度大，管理成本高;灌水定額較大，不便實(shí)施適時(shí)適量灌溉，水的利用率低，這種方法大概有40%一50%的水由于深層滲漏及無(wú)效蒸發(fā)損失掉，這對(duì)于我國(guó)城市日益短缺的水資源供應(yīng)無(wú)疑是雪上加霜。 現(xiàn)今，綠地灌溉一般選擇噴灌。噴灌以其節(jié)水、保土、省工、適應(yīng)性強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)質(zhì)量高、景觀效果好等優(yōu)點(diǎn)，在城市綠地中特別是草坪灌溉中應(yīng)用廣泛。噴灌噴頭覆蓋面積相對(duì)較大，并且噴點(diǎn)少，不但不影響綠地的整體美觀效果，

5、而且水的實(shí)際利用率可以達(dá)到65%一75%;若噴灌設(shè)備采用高均勻度的噴頭，實(shí)際水利用效率能達(dá)到75%一80%。大面積綠地(高爾夫球場(chǎng)、足球場(chǎng)、大型廣場(chǎng)等)采用噴灌，既可滿足綠地植物生長(zhǎng)需水的要求，又可形成一道水景加綠地的風(fēng)景線。 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(lèi)系統(tǒng)如利用定時(shí)器控制灌溉比人控控制系統(tǒng)節(jié)水很多。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)定仍是依賴(lài)管理人員的經(jīng)驗(yàn)或參考有關(guān)參考數(shù)據(jù)。如管理人員經(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，距離精確化、智能化灌溉仍有很大距離。但由于其投資少，灌溉水的有效利用

6、率比手動(dòng)控制提高很多，作為成熟的灌溉控制系統(tǒng)現(xiàn)階段我國(guó)城市推廣的便是此類(lèi)模式。 1.2綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 1.2.1綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)概述 綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)按照自動(dòng)化程度的高低分為全自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)和半自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)。全自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)不需要人的直接參與，通過(guò)預(yù)先編制好的控制程序和根據(jù)反映作物需水的某些參量可以長(zhǎng)時(shí)間地自動(dòng)啟閉電磁閥。人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。這種控制系統(tǒng)中，除了噴頭、管道、管件等還有中央控制器、電磁閥、各種傳感器等，對(duì)于大范圍的控制系統(tǒng)需要還可以配置遠(yuǎn)程控制器等。半自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)在綠地現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有安裝傳感器，灌水開(kāi)始時(shí)間、灌水持續(xù)時(shí)間和灌溉周期等均是根

7、據(jù)預(yù)先編制的程序，而不是根據(jù)土壤水分和氣象狀況的反饋信息來(lái)控制的。 按照結(jié)構(gòu)形式的不同，綠地自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)又可以分為開(kāi)環(huán)控制灌溉系統(tǒng)和閉環(huán)控制灌溉系統(tǒng)兩種。如果自動(dòng)灌溉系統(tǒng)中具有反饋信號(hào)，就稱(chēng)為閉環(huán)系統(tǒng)，否則就叫做開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是典型的閉環(huán)控制灌溉系統(tǒng)，而時(shí)序控制系統(tǒng)是典型的開(kāi)環(huán)控制灌溉系統(tǒng)。我國(guó)目前城市應(yīng)用比較成熟的綠地灌溉控制系統(tǒng)就是時(shí)序控制系統(tǒng)。 目前，在國(guó)際上技術(shù)比較成熟、應(yīng)用較廣的灌溉控制技術(shù)主要有兩種:專(zhuān)家系統(tǒng)與微機(jī)測(cè)控技術(shù)。專(zhuān)家系統(tǒng)是一個(gè)模擬人腦思維方式，以知識(shí)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)用于節(jié)水灌溉也是以豐富的種植經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，例如，在己有經(jīng)驗(yàn)上，將已知的

8、作物生長(zhǎng)各階段的需水量，生長(zhǎng)狀態(tài)、各階段可能遇到的氣候與自然條件等決定灌溉的詳細(xì)信息輸入計(jì)算機(jī)，按照一定的法則劃分成各項(xiàng)細(xì)則存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。當(dāng)進(jìn)行控制時(shí)，就將已獲得的作物生長(zhǎng)狀態(tài)、氣候條件等輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算推理，把它劃分歸屬于某一細(xì)則，再按這一細(xì)則的要求，如灌溉量和灌溉時(shí)間，進(jìn)行灌溉。如從荷蘭引進(jìn)的大棚花卉種植專(zhuān)家系統(tǒng)，由于多年的種植經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某種花卉的生長(zhǎng)過(guò)程十分熟悉，將其生長(zhǎng)過(guò)程細(xì)節(jié)輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)通過(guò)推理計(jì)算來(lái)決定其灌溉與施肥。微機(jī)測(cè)控技術(shù)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)以及通訊技術(shù)結(jié)合起來(lái)，能夠檢測(cè)土壤墑情、環(huán)境特征，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)決定灌溉量與灌溉時(shí)間，擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗(yàn)灌

9、溉的灌溉模式。在田間分布各種傳感器檢測(cè)點(diǎn)，如土壤水分、溫度、濕度、光照、作物蒸騰量等，檢測(cè)結(jié)果送至微機(jī)，微機(jī)對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，然后通過(guò)通訊技術(shù)，將處理結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)，即實(shí)驗(yàn)室或家里的計(jì)算機(jī)中，操作者就可以在家里或?qū)嶒?yàn)室里觀察到作物生長(zhǎng)狀況和土壤墑情，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷作物是否缺水及所需灌溉量與灌溉時(shí)間，然后發(fā)出灌溉命令給微機(jī)，微機(jī)就可以根據(jù)命令控制灌溉量與灌溉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水灌溉。 1.2.2國(guó)內(nèi)外綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用概況國(guó)外一些國(guó)家運(yùn)用冼進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)，在節(jié)水灌溉技術(shù)方面起步較早，并漸趨成熟。這些國(guó)家從最早的水力控制、機(jī)械控制，到后來(lái)的機(jī)械電子混合協(xié)調(diào)式控制，到當(dāng)

10、前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，控制精度和智能化程度越來(lái)越高，可靠性越來(lái)越好，操作也越來(lái)越簡(jiǎn)便。真正的計(jì)算機(jī)控制灌溉源于以色列。愛(ài)爾達(dá)一祥利(Eld盯一Shany)自控技術(shù)公司是以色列最大的農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，也是當(dāng)今世界上生產(chǎn)農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主導(dǎo)企業(yè)，開(kāi)發(fā)了一系列的可編程控制器。例如大型農(nóng)田灌溉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) ElgalAgro是目前農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域最先進(jìn)的控制系統(tǒng)，適用于較大面積的農(nóng)田、果園、草場(chǎng)、公園綠地等自動(dòng)化節(jié)水灌溉系統(tǒng)中。澳大利亞也開(kāi)發(fā)成功了一系列的灌溉控制器產(chǎn)品。例如澳大利亞的 HARDIEIRIGATION公司的HR6100系列的灌溉控制器，其成

11、本較低，是一種小型化的自動(dòng)灌溉控制器，主要是面對(duì)家庭庭院和小面積的商業(yè)綠化場(chǎng)地的灌溉，而MlcRoo一MAsTERTM系列產(chǎn)品是HARDIE公司為進(jìn)行大面積灌溉而開(kāi)發(fā)的控制器。該公司采用分布式布置，可與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信，用微機(jī)對(duì)其進(jìn)行編程操作和對(duì)其子控制器進(jìn)行控制，并能用微機(jī)隨時(shí)監(jiān)控灌溉系統(tǒng)的工作狀況5。我國(guó)的毛慎建、張文革和許一飛研制的智能化灌溉控制器是以8031單片機(jī)為核心的全自動(dòng)化灌溉控制器，該控制器可以任意設(shè)定周期進(jìn)行灌溉控制，也可以根據(jù)檢測(cè)到的土壤水分狀況進(jìn)行閉環(huán)控制，能夠控制多路灌溉系統(tǒng)進(jìn)行多種方式灌溉，該系統(tǒng)已成功用于北京航空航天大學(xué)體育場(chǎng)，從投入運(yùn)行的情況來(lái)看，情況良好6l。

12、北京奧特思達(dá)科技有限公司研制的wT-OZ型微噴灌定時(shí)自動(dòng)控制器，是一種供農(nóng)業(yè)、草坪、果園、溫室一般場(chǎng)合給水的電子灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)7。為了提高綠化用水的利用率，姜文峰、鄭文剛等設(shè)計(jì)了一個(gè)城市綠地自動(dòng)化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)采用GSM短信或485總線方式通信，通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)采集灌區(qū)土壤水分、土壤溫度、空氣溫濕度、靜輻射、風(fēng)速等植物生長(zhǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，在上位機(jī)形成原始數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)專(zhuān)家知識(shí)系統(tǒng)決策是否灌溉及灌水量多少，從而達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。目前，該控制系統(tǒng)已在北京海淀區(qū)蘇家屯綠地精確灌溉節(jié)水示范區(qū)、北京南五環(huán)京開(kāi)立交橋高速公路中央隔離帶及北京大興龐各莊溫室中應(yīng)用。張水利、徐基芬、張運(yùn)武

13、等設(shè)計(jì)的利用工業(yè) TPC終端及普通電腦構(gòu)成的集散型智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)人值守運(yùn)行，也可手動(dòng)操作，還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)氣象資料的共享。匡秋明、趙燕東、白陳祥設(shè)計(jì)了一套閉環(huán)控制的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)、灌溉監(jiān)測(cè)控制器、土壤水分傳感器和閥門(mén)控制器組成。其中，底層傳感器和閥門(mén)控制器通過(guò)RS485總線連接至灌溉監(jiān)測(cè)控制器，灌溉監(jiān)測(cè)控制器通過(guò)無(wú)線通訊模塊與中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了土壤含水率的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)植物的土壤含水率灌溉閡值自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)在北京林業(yè)大學(xué)主樓前精準(zhǔn)灌溉示范區(qū)(主要植被類(lèi)型為高羊茅草坪草)無(wú)故障精準(zhǔn)運(yùn)行了

14、200多天，很好的實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)灌溉l0l。蔣德平介紹了一種用于城市綠化灌溉的無(wú)線電磁閥控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中各灌區(qū)的電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉都是由與電磁閥組裝成一體的閥門(mén)控制器控制。閥門(mén)控制器具有編程功能并帶有顯示時(shí)鐘和程序的液晶顯示屏;閥門(mén)控制器定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉電磁閥。該系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)單、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)于老的綠地灌溉項(xiàng)目不需要挖溝埋線，只需要更換電磁閥和加裝閥門(mén)控制器即可實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)控制。第2章綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 2.1zigBe。技術(shù)在綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)中的適用性分析技術(shù)概述 ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自

15、動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中。它的名字來(lái)源于蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式:蜜蜂通過(guò)跳Zigzag形狀的舞蹈來(lái)分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。技術(shù)協(xié)議框架ZigBee協(xié)議是架構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)之上的，完整的ZigBee協(xié)議套件由應(yīng)用層(APL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)和物理層(PHY)組成。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂方面，主要是正 EE802.巧.4小組與ZigBee聯(lián)盟兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬件與軟件標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層主要采用正準(zhǔn)，而網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月，由英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、

16、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭的飛利浦半導(dǎo)體公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線設(shè)備公司和開(kāi)發(fā)商加入。ZigBee技術(shù)的協(xié)議框架如圖2一1所示。圖2-1 ZigBee技術(shù)協(xié)議框架 物理層(PHY)是整個(gè)ZigBee協(xié)議棧的最底層。物理層定義了物理無(wú)線信道和MAC子層之間的接口，它提供了兩種類(lèi)型的服務(wù):即通過(guò)物理層管理實(shí)體接(PLME)對(duì)物理層數(shù)據(jù)和物理層管理提供服務(wù)。ZigBee技術(shù)兼容的產(chǎn)品工作在正EE802.巧.4的物理層 (PHY)上，其頻段是免費(fèi)開(kāi)放的，分別為2.4GHz(全球)gl5MHZ(美國(guó))和868MHZ(歐洲)。它在2.4GHz的頻段上提供25okbit/s(26個(gè)信道)、

17、在gl5MHz頻段上提供4okbit/s(10個(gè)信道)和在s6sMHz頻段上提供Zokbit/s(l個(gè)信道)的傳輸速率。其傳輸范圍依賴(lài)于輸出功率和信道環(huán)境，介于IOm到100m之間，一般是30m左右。由于zigBee技術(shù)使用的是開(kāi)放頻段，已有多種無(wú)線通訊技術(shù)使用，因此為避免被干擾，各個(gè)頻段均采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(Dsss，DirectSequeneespreadspeetrum)。同時(shí)，PHY的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)允許設(shè)備無(wú)需閉環(huán)同步。在這3個(gè)不同頻段，都采用相位調(diào)制技術(shù)，2.4GHz采用較高階的QPsK調(diào)制技術(shù)以達(dá)到25Okbit/S的速率，并降低工作時(shí)間，以減少功率消耗。而在9巧MHz和868

18、MHz方面，則采用BPSK的調(diào)制技術(shù)。定義的MAC層也提供兩種服務(wù):通過(guò)MAc層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(MLME一SAP)向MAC層數(shù)據(jù)和MAC層管理提供服務(wù)。前者保證MAC層數(shù)據(jù)協(xié)議單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)，后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)MAC層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)。在MAC層上，主要沿用wLAN中802.H系列標(biāo)準(zhǔn)的CSM刀CA方式，以提高系統(tǒng)的兼容性。所謂的CSMA/CA，即是在傳輸之前，會(huì)先檢查信道是否有數(shù)據(jù)傳輸，若信道無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，則開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，若產(chǎn)生碰撞，則稍后一段時(shí)間重傳。 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)請(qǐng)求、關(guān)聯(lián)、取消關(guān)聯(lián)、孤立通知請(qǐng)求和為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)?/p>

19、服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用層提供了數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE)和管理實(shí)體(NLME)這兩種服務(wù)實(shí)體，以便更好地實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層的連接。 ZigBee協(xié)議中的應(yīng)用層用以定義用戶(hù)對(duì)象。在同一ZigBee節(jié)點(diǎn)上，應(yīng)用層最多可以支持定義240個(gè)不同的應(yīng)用對(duì)象。每一個(gè)應(yīng)用對(duì)象都被作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們可以從1到240進(jìn)行編號(hào);節(jié)點(diǎn)0保留作為本節(jié)點(diǎn)的ZDO;節(jié)點(diǎn) 255保留給數(shù)據(jù)接口函數(shù)向所有的應(yīng)用對(duì)象廣播數(shù)據(jù);節(jié)點(diǎn)端點(diǎn)241一254保留作將來(lái)使用。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖?duì)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)而言具有非常重要的意義。選擇恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面

20、奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。ZigBee技術(shù)支持三種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)拓寸1·結(jié)構(gòu):星型結(jié)構(gòu)(Star)、簇樹(shù)結(jié)構(gòu)(ClusterTree)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)。如圖2一2所示。根據(jù)節(jié)點(diǎn)擔(dān)任的角色的不同，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備對(duì)象分為三種不同的類(lèi)型:協(xié)調(diào)(coordinator)、路由器(Router)和終端設(shè)備 (EndDevice)。一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、允許子節(jié)點(diǎn)加入、分配短地址等，并且為網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)路由和安全管理等服務(wù);路由器是網(wǎng)絡(luò)的中繼站，允許其他子節(jié)點(diǎn)通過(guò)它加入到網(wǎng)絡(luò)中，并且對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行路由中繼;終端設(shè)備只能通過(guò)路由器

21、或者協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，沒(méi)有中繼功能，也不能建立網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)所具有的通信能力的不同，又可將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為全功能設(shè)備(FFD，F(xiàn)ullFunctionDeviee)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(盯D，RedueedFunetionDeviee)兩種。相對(duì)于FFD來(lái)說(shuō)，即D的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且要求的存儲(chǔ)體的容量較小，但燈D之間不能直接進(jìn)行通信，只能和一個(gè)作為它的父節(jié)點(diǎn)的FFD進(jìn)行通信;而FFD要求存儲(chǔ)體的容量相對(duì)要大，能夠提供數(shù)據(jù)交換，一個(gè)FFD可以同時(shí)和其它多個(gè)FFD或RFD進(jìn)行通信。協(xié)調(diào)器和路由器要有一定的中繼能力，并且能夠適量地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因此必須是FFD;而終端設(shè)

22、備可以是FFD或者即D口。圖2一2三種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備組成，每個(gè)終端設(shè)備只能與協(xié)調(diào)器連接并且協(xié)調(diào)器控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。簇樹(shù)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)都是通過(guò)路由器來(lái)拓展 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的范圍的，但是簇樹(shù)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中路由器之間是不能直接進(jìn)行通信的，需要由協(xié)調(diào)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，而網(wǎng)狀網(wǎng)中的路由器是可以直接進(jìn)行通信的，并且通過(guò)自組織和無(wú)線路由功能，其可提供多個(gè)數(shù)據(jù)通信路徑，并能根據(jù)不同的路由策略從中選出最優(yōu)路徑。技術(shù)適用性分析 在短距離無(wú)線通信領(lǐng)域中，除了ZigBee技術(shù)外，目前比較成熟的技術(shù)還有紅外數(shù)據(jù)傳輸(xrnA)、無(wú)線局域網(wǎng)(wi一Fi)、藍(lán)牙(Bluetooth)和超寬帶(ult

23、rawideBand)等，它們都有各自不同的特點(diǎn)和使用范圍，表2一1對(duì)它們進(jìn)行了比較說(shuō)明。 由表中比較可以看出，ZigBee技術(shù)具有如下顯著的特點(diǎn):功耗低:在工作模式下，ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率低、傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短，功耗較低;在非工作模式時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。因此zigBee節(jié)點(diǎn)的功耗極低，非常省電，兩節(jié)普通的AA電池能使用6一24個(gè)月。 數(shù)據(jù)傳輸可靠:MAC層采用碰撞避免機(jī)制，這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?安全性高:ZigBee協(xié)議提供了數(shù)據(jù)安全性檢查和鑒權(quán)功能，并且加密算法采用了AES一128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 網(wǎng)絡(luò)容量

24、大:在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理255個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，則每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65536個(gè)節(jié)點(diǎn)。 數(shù)據(jù)傳輸速率低:ZigBee協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸速率通常只有10一250kb/s。通信距離短:相鄰節(jié)點(diǎn)間的一般有效傳輸距離大約在10一10om之間。 工作頻段靈活:ZigBee技術(shù)有三個(gè)工作頻段:2.4GHz(全球)、gl5MHz(美國(guó))和868MHz(歐洲)三個(gè)頻段，而且均為免執(zhí)照的ISM(工業(yè)科學(xué)醫(yī)療)頻段，根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇。 成本低:zigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率低、數(shù)據(jù)傳輸量小、通信距離短、協(xié)議簡(jiǎn)單，使得它對(duì)硬件配置的要求極低，而且

25、zigBee協(xié)議的工作頻段都是國(guó)際免費(fèi)頻段，所以相對(duì)于其他短距離無(wú)線通信技術(shù)來(lái)說(shuō)，成本極低。 由此可以看出，zigBee技術(shù)主要應(yīng)用于通信范圍相對(duì)較小、數(shù)據(jù)傳輸速率較低的吝種電子設(shè)備上，典型的傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型有周期性數(shù)據(jù)(如傳感器)和間歇性數(shù) 據(jù)(如照明控制)等。通常，符合下列條件之一的就可以考慮采用zigBee技術(shù): (1)設(shè)備間距較小; (2)設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小; （3)只能使用一次性電池，沒(méi)有充足的電力支持; (4)無(wú)法頻繁更換電池; (5)需要覆蓋的范圍較大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需要容納的設(shè)備較多，網(wǎng)絡(luò)主要用于監(jiān)測(cè)或控制。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，綠地灌溉控制逐漸

26、朝著自動(dòng)化的方向發(fā)展，各種傳感器被引入，加之綠地環(huán)境中有線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的復(fù)雜性和高成本的缺點(diǎn)，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立適應(yīng)了綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的發(fā)展方向;在綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)中，綠地的范圍一般不是很大，即使需要大范圍的組網(wǎng)，也可采用不同的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建大型區(qū)域的網(wǎng)絡(luò);綠地環(huán)境是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境，對(duì)綠地進(jìn)行自動(dòng)灌溉控制時(shí)，采集的相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)例如空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、光照度、土壤水分含量等等都是變化比較緩慢的，數(shù)據(jù)采集的周期性較大，且數(shù)據(jù)量很小，正好符合了ZigBee技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率小的特點(diǎn)。因此，將基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)中，將在一定

27、程度上推動(dòng)綠地自動(dòng)灌溉控制技術(shù)的發(fā)展和ZigBee技術(shù)在無(wú)線監(jiān)測(cè)、控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)在對(duì)一個(gè)城市或者一個(gè)公園的綠地灌溉系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，由于綠地比較分散且覆蓋的整體范圍較大，可采用多級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。原理如圖2一3所不:圖2-3 綠地自動(dòng)灌溉系統(tǒng)原理圖將一個(gè)城市或者一個(gè)公園的每一個(gè)獨(dú)立的、分散的綠地作為一個(gè)監(jiān)控區(qū)域，各個(gè)監(jiān)控區(qū)域與本地控制中心通過(guò)簇樹(shù)結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行組網(wǎng)，并且均采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;各個(gè)監(jiān)控區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行灌溉控制或者將數(shù)據(jù)發(fā)送給本地控制中心進(jìn)行集中監(jiān)控;本地控制中心可選用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或者為了實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的功能，采用ARM或者PC機(jī)。為了便于遠(yuǎn)程監(jiān)控，可通過(guò)GPRs等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，而其他遠(yuǎn)程用戶(hù)也可通過(guò)Intemet對(duì)綠地灌溉系統(tǒng)的相關(guān)信息、進(jìn)行共享。由于各個(gè)監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建立是基本相同的，本論文主要研究單監(jiān)控區(qū)域的綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的搭建，而這也是大型、遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和保證。在單個(gè)監(jiān)控區(qū)域中，由于綠地的范圍一般較小，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的控制設(shè)備，也是zigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)”，是單個(gè)監(jiān)控區(qū)域的控制中心，負(fù)責(zé)組網(wǎng)、允許無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線控制器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)顯示無(wú)線控