基于IPv6的ZigBee组网智能滴灌系统
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摘要：物联网以及无线传感技术的发展与应用，为智能滴灌系统的设计提供了新思路，ZigBee由于低功耗、低成本、自动配置组网等优点被广泛应用于农田滴灌系统中。基于此，文章首先阐述了智能滴灌系统的工作原理和优势，然后设计了一种基于IPv6的ZigBee组网智能滴灌系统，经无线组网测试，该智能滴灌系统运行良好。
关键词：ZigBee;智能滴灌;系统设计
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0132-01
0 引言
随着我国现代化建设进程的不断推进，社会对资源的需求度在不断提升。我国是农业大国，每年农业用水的消耗量巨大，且农业用水效率普遍较低，为了促进农业的可持续发展，滴灌技术应运而生。近年来，国家大力推广农业滴灌技术，我国西北地区的农业供水大都采用滴灌技术。ZigBee由于低功耗、低成本、自动配置组网等优点被广泛应用于农田滴灌系统中，因此，文章提出了一种基于IPv6的ZigBee组网智能滴灌系统具有重要的实用意义。
1 智能滴灌系统概述
1.1 工作原理
智能滴灌系统的工作原理是把水管口水压力传感器检测到的信号回传给系统内的单片机，由单片机将预设的水压值和检测到的信号进行对比，确定是否开启或关闭电磁阀，进而实现对滴灌水量的精确控制。通常可根据种植经验或试验田实验得出田地内待滴灌农作物的需水量，精确水量的滴灌可确保田地内的农作物始终处于最优土壤湿度环境。在系统确定滴灌流量时，单片机同样会将水管口处的实时压力值无线传输至控制中心，控制中心可對各节点的工作情况进行实时监控。比如，在滴灌的过程中，如果出现通信中断、水压异常等问题，则控制中心内的管理人员可直接向现场管理人员下达维护指令，确保系统运行的稳定性。
1.2 智能滴灌的优势
在以往，我国农村基本上采用沟灌的形式对田地内的农作物进行灌溉，虽然该种形式的灌溉在短时间内可以进行大范围的田地灌溉，但该种形式的灌溉没有考虑到农作物实际的水源需要，一次性大量的水体灌溉往往会导致田地内的湿度急剧增加，结果农作物极易受到病虫的危害，且一次性大量水体的涌入，导致土层被冲刷，容易造成土壤板结，不利于农作物成长。相比于传动的沟灌形式，自动灌溉系统具有明显的优势：（1）节约成本，自动化程度高。（2）减少了灌溉过程中水体的蒸发，有利于水体缓慢进入土壤。（3）有利于保护土层结构。（4）节省化肥用量，减小土体污染。
2 基于IPv6的ZigBee组网智能滴灌系统设计
2.1 组网方式
在本文所设计的ZigBee组网智能滴灌系统中，ZigBee无线传感网络是由一个协调器节点、适当数目的路由器节点和多个终端节点组成。路由器节点为全功能节点，能够与相邻路由器和终端节点通信，终端节点是精简功能节点，该节点只能够与相邻的路由器节点进行通信。多数控制器在ZigBee网络中作为一个终端节点，和相邻路由器节点间的关系构成为“父子”关系，由路由器和协调器连接。ZigBee网格拓扑组网方案如图1所示。
在这种联网方法中，网络组建结构为网状结构。优点如下：（1）网络拓扑清晰，传输路径可靠性高，对于智能滴灌系统在运行中出现的故障则能够及时给予警告。在智能滴灌系统中，电磁阀作为ZigBee网络终端节点，这样最大限度地确保了智能滴灌系统中各个组分节点间的连接，进而实现整个智能滴灌系统的降耗节能，确保系统运行的持续性。在ZigBee网络中，各个组分的终端节点能够结合智能滴灌系统的需求进行睡眠或唤醒的调整。（2）控制延迟小。该种形式下的联网模式，可以最大限度地减少路由器的节点，且路由器节点可充分利用太阳能进行充电，一致保持工作状态。
2.2 硬件设计
在本文所设计的ZigBee组网智能滴灌系统中核心组件为TI公司生产的CC2430芯片，主要是利用该芯片作为智能滴灌系统控制器的微处理器，同时为确保系统信号收接的稳定性与一致性，选取该公司的CC2591作为智能滴灌系统放大器。CC2430芯片其内部包含一高集成化的2.4hGHz直接序列扩频接收器，8KB静态RAM，32k/64k/128k字节片上闪存，8到14位ADC，看门狗定时器，上电复位电路，AES-128协处理器和21个可编程I/O引脚，两个可编程USART。根据实际需求本文所设计的ZigBee组网智能滴灌系统主要性能如下：（1）满足智能滴灌系统中电磁阀的自动启闭。其中，智能滴灌系统中所使用的电池阀为Israel Bermet生产的电磁阀，该型号的电磁阀在运行中需要持续供给电压5-20V，当智能滴灌系统在运行过程中，检测到其电磁阀电流超过500mA时进，正向电流开启电磁阀，反之，反向电流则关闭电磁阀。（2）能够实时地对智能滴灌系统中水压信息进行获取。智能滴灌系统可以利用水压传感器对水压信息进行实时获取，其中水压传感器的工作电压为9-36V。（3）智能滴灌系统的通信功能距离大于200m。（4）为确保智能滴灌系统供电的稳定性，设置两套供电电源，终端节点为采用3V和9V干电池供电方式，路由器节点则使用6V电池供电，且可以利用太阳能进行充电与储电。（5）能够对系统的运行状态进行检测。
2.3 无线组网测试
TI所使用的通用数据包探测器可监视未加密的通信。因此，可以将其用于通讯和网络测试，在对各组分节点进行供电后，则各组分协调节点会向系统发送出请求指令，等待网络的接入并加入目标节点。此时，系统内所设定的路由器节开放，并继续向控制系统发送信标请求操作，而各组分的协调路由器则会向控制系统发送超帧并等待系统路由器节点的同步操作，完成上述操作后，各组分协调节点会建立一个网络号为0x0011名称的接入点，当路由器利用超帧完成于各协调节点同步工作后，将其反馈给控制系统，同时发出连接网络请求限号。根据上述通信网络的测试，得知系统通信运行正常，能够满足设计所预定的目标。
3 结语
本文利用ZigBee技术的短距离通信、低功耗、大容量、低成本、高安全性，设计了一种基于IPv6的ZigBee组网智能滴灌系统，解决了现场滴灌控制系统的网络设计问题，通过无线组网测试，发现该设计能够满足实际需求。
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