1系统总体设计
单片机通过串口模块将实时的土壤水分信息经ZigBee无线模块发至上位机进行显示，以便上位机进行实时监控。上位机一方面实时显示下位机传送来的实时数据，另一方面将实际测得的土壤水分含量与上位机设定的土壤下限值进行比较:当土壤水分含量低于设定值时，经ZigBee无线传输模块发送启动灌溉命令给下位机，下位机单片机系统通过驱动电路驱动水泵给田地灌溉，同时启动蜂鸣器进行报警提示。
2系统硬件设计
系统硬件设计主要分为下位机现场控制模块以及无线数传模块两部分。根据系统总体设计方案，设计思路如下:1)集中设计直流稳压电路，为整个电路中的其它部分工作提供稳定的直流电源。电路输入为市电(220V，50Hz)，输出为稳定的直流5V电压。2)使用单片机最小系统设计主要控制模块，配合其它外围电路以满足对象控制的需要。3)湿度传感器获取田间土壤水分含量的相关数据，并经单片机实时采集显示。4)对串口通信部分进行设计，从而保证下位机现场测控模块可以与上位机(中心计算机)进行可靠的无线通信。5)设计用于测控的上位机系统，用以实时监测现场数据和控制下位机。下位机现场测控模块总体原理图，如图2所示。2．1单片机介绍AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEＲOM－FlashProgrammableandErasableＲeadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机可擦除只读存储器可反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS－51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2．2直流稳压电源模块直流稳压电源模块主要由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路及集成稳压电路等构成。桥式整流电路选用的是集成模块3N250，并引入集成稳压电路模块LM7805。为了表明整体电路的工作状况，在电路内接入了一个LED，如果LED亮说明电路正常工作，如果不亮则说明电路未工作。2．3土壤水分测量模块HM1500是线性电压输出式集成湿度传感器主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快、重复性好、抗污染能力强。特点:尺寸小、浸水无影响、互换性好、可靠性高、漂移小;在5VDC供电时，0～100%ＲH型输出1～4VDC;极低的温度依赖性、比例输出、电源电压、适合3～7V供电;在长时间处于饱和状态后快速脱湿、专利固态聚合物结构、对化学品的高抵抗性、响应时间短。本设计中HM1500接法如图2所示。其1引脚接电源，3引脚接地，2引脚接单片机，25引脚用于把采集到的数据传递给单片机。2．4灌溉驱动电路固态继电器(SolidStateＲelay，缩写SSＲ)，是由微电子电路、分立电子器件及电力电子功率器件组成的无触点开关。隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，可以直接驱动大电流负载。固态继电器是具有隔离功能的无触电开关，因此除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容、耐振耐机械冲击、安装位置无限制等特点，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能极佳。其具有输入功率小、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、噪声低和工作频率高等特点。专用的固态继电器可以具有短路保护、过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。本系统中单片机28引脚输出高电平时，三极管Q2导通，驱动继电器导通，带动水泵灌溉。2．5显示电路LED数码管(LEDSegmentDisplays)由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段，有的另加一个小数点。LED数码管根据接法不同分为共阴和共阳两类。了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。本设计采用共阴极LED数码管，采用动态显示原理。数码管动态显示是单片机中应用最为广泛的显示方式之一。每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，单片机对位元选通COM端电路控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。在高速选通断开每个数码管的情况下，由于人眼的视觉暂留感觉，每个数码管都是静态显示。2．6通讯接口模块本设计采用串行通信，为实现远距离传输使用ZigBee无线模块。串口叫做串行接口，现在的PC机一般有两个串行口COM1和COM2。串行口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位地传送出去的。虽然这样速度会慢一些，但传送距离较并行口更长，因此若要进行较长距离的通信时，应使用串行口。通常COM1使用的是9针D形连接器，也称之为ＲS－232接口。ZigBee是一种经济、高效、低数据速率(＜250kbps)、工作在2．4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络［9］。由于ZigBee价廉以及低功耗的无线通信特点，一直占据着无线通讯市场。特别在无限传感器网络方面，ZigBee有着十分广泛的应用。无线数传模块采用了德州仪器(TI)公司推出的高度整合的SOC芯片CC2530方案进行模块设计。CC2530具有成本低、体积小，外围设备丰富且电路简单、扩展性强、而且能够胜任WSN节点的功能和作用［10］。CC2530具有一个IEEE802．15．4兼容无线收发器，ＲF内核控制模拟无线模块。32kHz时钟驱动睡眠定时器和看门狗定时器，并当计算睡眠时期时间时，作为MAC定时器的闸门。应用ＲF收发器时，必须选择32MHz晶振，确保其稳定。因此，在外围电路中设计了32MHz和32kHz两个晶振电路，32kHz晶振设计运行在32．768kHz，需要时间精度时，为系统提供一个稳定的时钟信号。CC2530的基本射频电路如图3所示。
3系统软件设计
系统软件设计框图，如图4所示。下位机单片机采集系统首先采集湿度传感器的现场数据，并经过无线数据传输模块ZigBee传送至上位机测控系统;上位机一方面实时显示下位机传送来的现场数据，另一方面通过与设定的土壤水分下限值进行比较，当判断得到土壤水分实时含量低于土壤水分下限时，通过Zig-Bee无线收发模块发送启动灌溉命令给下位机，下位机接收到命令后启动水泵进行灌溉，同时启动蜂鸣器进行报警提示。
4下位机与上位机通信
ZigBee无线通信是在ZigBee2007协议栈的基础上进行的。ZigBee无线网络具有自组网的功能，本系统将上位机设置为协调器，将所有的下位机设置为路由器或终端节点。在进行组网时步骤为:①由协调器建立网络;②所有终端节点或路由器发送申请加入网络的信标(Beacon)请求;③所有终端节点或路由器发送加入网络请求(AssociationＲequest);④协调器对所有终端节点或路由器的加入网络的请求作出应答;⑤所有终端节点或路由器收到协调器的应答后发送数据请求(DataＲequest)，请求协调器分配网络地址;⑥协调器对所有终端节点或路由器的数据请求作出应答;⑦协调器将分配的网络地址发送给所有终端节点或路由器。至此，所有终端节点或路由器就已经自动加入ZigBee无线网络之中。当进行无线数据传输时，要对ZigBee设备节点进行初始化，在ZigBee2007协议栈中用结构体Simple-DescriptionFormat_t对设备节点进行初始化。在对设备节点进行初始化的时候，要对ZigBee无线通信网络的信道进行设置，设置信道就是设置经CC2530发射的无线电波的频率。由于在如今的空气中有许许多多的无线电波，包括手机、电视、收音机等，它们的频谱从几十兆赫兹到几千兆赫兹不等，这些无线电波都是以空气作为传播介质，而在我国ZigBee无线网络又使用国际通用的ISM(Industrial、ScientificandMedi-cal—工业、科学和医疗)频带。因此，ZigBee无线网络的信号有时候会被其它的无线电波干扰，在实际应用中常常会将ZigBee无线通信的信道设置为比较安静的25、26信道。当下位机采集到通过湿度传感器HM1500测量的土壤水分的数据时，调用数据发送函数AF_DataＲequest()将数据发送给上位机。当数据发送给上位机后，上位机首先使用osal_msg_receive()函数从消息队列接收一个消息，然后使用switch－case语句对消息类型进行判断。之后，如果消息是数据类型，就让接收的数据与设置的土壤下限值进行比较:当土壤水分含量低于设定值时，经Zig-Bee无线传输模块发送启动灌溉命令给下位机，下位机单片机系统通过驱动电路驱动水泵给田地灌溉，同时启动蜂鸣器进行报警提示。ZigBee2007协议栈还支持定时睡眠功能，下位机节点即终端节点可以设定为每隔1h或30min测量1次土壤的含水量。这样既可以发挥ZigBee无线通信低功耗的突出优点，同时也可以延长终端节点的使用寿命。
5结论
基于ZigBee无线通信技术设计了田间灌溉自动测控系统;完成了系统的硬件设计，包括下位机单片机系统、直流稳压电源模块、土壤水分测量模块、灌溉驱动电路、显示电路和通讯接口模块;完成了系统的软件设计并成功实现下位单片机系统与上位机之间的ZigBee无线通信。设计的测控系统成本低、性能优，为节工商管理论文水灌溉系统的设计提供了借鉴。
作者：谢红彪 王斌 李文静 汪潇 杨文举 单位：西北农林科技大学 水利与建筑工程学院
