论文总字数：15334字

目 录

1绪论 3

1.1国内农业自动化灌溉发展情况 3

1.2智能化灌溉研究意义 3

1.3传感网在智能化灌溉方面的应用 4

1.3.1传感网定义简介 4

1.3.2传感网应用概述 4

1.3.3系统组成 5

1.3.4主要功能 5

1.3.5效益分析 5

2ZigBee无线网络 6

2.1 ZigBee网络节点类型 7

2.2 ZigBee网络拓扑结构 7

2.3 ZigBee寻址类型 10

2.4 ZigBee数据发送方式 10

2.5 ZigBee协议栈 11

3系统设计 11

3.1 灌溉系统概述 11

3.2 节点系统设计框图 12

4硬件电路设计 13

4.1控制模块 13

4.1.1时钟电路 14

4.1.2复位电路 14

4.1.3数据存储器的扩展电路 15

4.1.4I/O扩展电路 15

4.2采集模块 16

4.3数模转换模块 17

4.4 ZigBee电路模块 18

4.5报警模块 19

4.6显示模块 20

5软件设计 21

6小结 22

参考文献 23

致谢..........................................................................................................24

基于传感网的智能化灌溉系统

蒋伊伊

，China

Abstract：In this paper, an intelligent automatic irrigation system based on ZigBee wireless sensor network is designed for the needs of intelligent and automation of large-scale farms. The system uses single-chip processing of humidity, temperature and other information, the use of ZigBee send valid information to the router, and then sent to the coordinator, and then host to receive and analyze the soil conditions, remote control can be carried out through the sensor network irrigation. The system can save a lot of human resources, has important practical significance.

Key words：WSN;Intelligent irrigation;ZigBee;MCU;

1绪论

1.1国内农业自动化灌溉发展情况

从古到今，农业作为人类社会的创始人[^[1]]，是各行各业的根底，也是最根本的赖以生存的行业。农业犹如母亲般哺乳人类，是人类得以存活和壮大的资本，农业的地位不言而喻，没有农业就不会有人类的成长和繁衍。我国是一个拥有13亿人口的超级大国，农业收入对我国国民生产总值的贡献不容小觑。

从长远来看，农业的发展非常重要，这就关乎到水和科技。科技和教育是农业发展的必要根本。从传统手工劳作农业到现代机械化农业，从广泛的管理到集约化管理，必须要求农业科技的发展，从而实现新农业产业的升级。从目前来看，我国的农业发展相比更落后，尤其是农业灌溉技术的落后，灌溉技术的缓慢发展严重限制了我国高效农业的发展。

1950年代以来，我国对灌溉做了一些研究[^[2]]，对主要农作物的需水量和系统性灌溉进行了许多实验，主要作物的需水量等级国家已经起草，国家灌溉试验数据库也已经建立。 我国在20世纪70年代以来，主要一直在进行灌溉系统的研究，可以进一步研究水与农作物产量以及生长发育的关系，根据农作物生长时进行合理的灌溉控制，有助于提高农作物的产量和生产率。

传统的灌溉模式以人工劳作、大水漫灌为主，智能化、自动化水平低，不能在操作中进行高效灌溉。为了显著提高我国农业的灌溉技术，减少人工劳作时间且有效节约水资源，必须致力于发展智能化自动灌溉的技术。现代科技的发展为新农业的发展指引了方向，机械化、自动化的技术为灌溉系统提供有效的工具和手段，显著提高操作的高效性，有助于科学管理农场大面积的灌溉，大大减少人工劳作的时间。除此之外，更重要的是还可以准确、实时、高效地对农作物进行灌溉，提高农作的产量以及生产效率。就目前来说，中国自主研发的现代智能化自动灌溉系统的还处于初步阶段，因此，作为一个农业发展极其重要的超级人口大国，自主研发智能化自动灌溉系统是一项非常有意义的工作。在日新月异发展的今天，传感器行业发展迅速，价格下降，研究智能化自动灌溉系统从而进行现代新农业产业升级不仅可能而且也是必要的，不仅如此，同时也伴随着传感网等新科学技术因在农业应用的所带来的新的发展。

1.2智能化灌溉研究意义

众所周知，作为一个人口众多的发展中国家，第一产业农业发展规模庞大，中国地大物博，耕地面积庞大，劳动耕作基本上是靠人工进行，因此，我国的农业在灌溉自动化方面还稍有欠缺。所以，针对农业灌溉所进行的自动化、智能化极其重要。另外，我国农民的普遍文化素质较低，如果在现有的基础上进行一些改进，使装置变得简易操作是一项很有意义的工作，也有利于解决目前我国的农业灌溉自动化欠缺的问题。

农业是最根本的产业，只有农业的发展是好的可以使整个全中国的经济发展可以稳步前行。我国历史上的经济发展建议，只会有一个大发展的农业和农村经济，整个国民经济的发展才可以去繁荣。同时，只有农业生产可以为第二和第三次行业带来原材料和财政资源，为社会的现代化打下了基础。

运用信息技术来引领现代农业发展是必然的发展趋向，智能化的传感网将为高效农业提供重要支持。在本课题研究中，所采用的是基于ZigBee的传感网技术的农业发展的关键技术。实践证明，传感网推动了高科技农业发展，在这方面它具有重要的意义，在改进农业，促进现代农业转型升级的总体效率也有重大意义，这也实现了传统粗放低效率型、非技术型农业到现代集约高效率型、技术型农业的过渡。

1.3传感网在智能化灌溉方面的应用

1.3.1传感网定义简介

随着微机系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)的发展[^[3]]，无线传感网络(Wireless Sensor Networks, WSN)技术也随之诞生，并成功带来了一场技术革命。无线传感器网络是由分布在监测区域内的大批低价传感器的终端节点通过自组网络的方式从而进行无线传输。无线传感网络技术目前是有着广泛的应用方向，可以应用在家电、军事、医疗、农业、商业等方面。

WSN分布在监测区域内的各个终端节点负责实时监测监测区域内的数据，无线传感网络负责传输这些采集到的各个数据，再由协调器将所收到信息汇总之后发送给主机用户，更好的实现了智能化自动化。本课题所研究的农场自动化灌溉系统是利用基于ZigBee技术的无线传感网络来组建整个农场自动化的灌溉系统，通过在农场各个范围放置终端节点采集所需要的数据，再利用WSN实现数据的传输，实现农场数据采集智能化。

本课题还结合了AT89C51单片机和DHT11温湿度传感器等开发并设计了整个农田自动化灌溉系统。

1.3.2传感网应用概述

传感网农业智能控制系统，就是在农场内放置大量的低价传感器，对农作物所生长的环境进行实时监测和控制。将传感网技术应用在现代农业发展中可以更好地分析农场内各个部分的农作物生长环境的数据并进行分析做出处理。在本课题中，采用基于ZigBee协议栈组建而成的无线传感器网络，根据温湿度传感器采集到的农作物生长环境的数据，再通过主机远程控制AT89C51单片机驱动继电器进行灌溉，实现“节点采集—路由器转发—远程控制灌溉”的功能。

1.3.3系统组成

整个自动化灌溉系统的传感网部分可分为三部分系统：

一是节点信息采集系统。通过温湿度传感器采集农场的土壤温度、土壤湿度以及环境温度、环境湿度等信息，经由单片机将处理过的信息通过节点无限传感网络将信息传递给管理基站，远程主机用户接收并显示详细数据。

二是智能自动化控制系统。通过将继电器、控制线、农业设施电机及灌溉管网经由园区信息采集系统进行分析，再由远程主机控制单片机进行自动化灌溉。

三是信息监控系统。该功能主要需要主机以及报警模块来实现。通过主机用软件来显示所获得的具体的直观的详细数据，与英特网上国家灌溉数据库进行智能化处理，可以实现24小时实时监控，还可以根据已有数据库对参数进行有效判断，从而达到智能报警。

1.3.4主要功能

（1）实时监测功能：在农场区内放置大量温湿度传感器并配备无线传感网络的终端节点[^[4]]，使得农场中的每个节点都可以充分地实时地监测到农作物的土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度等一系列的具体参数。温湿度传感器进行信息采集、无线传感网络解调器负责接收无线传感网络节点发来的数据并且存储和显示具体的直观的数据，使得所有农场采集节点的信息能够直接地动态地显示给用户。

（2）远程控制功能：在农场配置了若干个传感器以及终端节点后，每一个温湿度传感器每采集一次数据，都通过低功耗的无线通讯技术进行无线传感数据的传输，最终将其数据传送到主机用户，主机用户可利用远程计算机可根据网络数据库中的专家系统对所采集到的农作物的生长环境参数进行分析处理，在参数超标或不达标时，远程控制其控制器会根据以上各类信息的分析结果对农场节点进行智能化自动化的灌溉。

（3）智能管理与系统软件功能：计算机主机用户可对农场农作物生长环境的数据进行实时监测并进行数据保存，还可以查询到某单个节点对应时间内的农作物的生长环境的参数，当监测到的参数超标或是不达标时，会触发警报，提醒用户进行及时处理。

1.3.5效益分析

对于农业种植户而言，将基于ZigBee的无线传感器网应用到智能化自动灌溉系统有助于农民摆脱了依赖天气的方式，从而更快地推动现代农业的发展，使得机械化、自动化、智能化农业不再是梦想，更加有效地提高了农作物的产量产率以及农业灌溉技术的效率。

对于运营商而言，若将无线传感网络应用在农业生产中，使得无线传感网技术找到了新的发展方向，而一旦无线传感网络在农业发展中得以遍及，中国的农业发展极其重大，这将带来源源不断的收益。

对于政府而言，尤其是当地政府，农业发展好惠人惠民，党中央呼吁大力发展高科技农业，有力响应中央的最好方式就是推动现代新型农业技术的发展，本课题研究的基于无联网的智能化自动灌溉系统可以显著增强灌溉的效率，有效提高农作物的产量与产率，有助于塑造当地的农业品牌，同时可以尽快为中国第一大产业进行产业升级。

2ZigBee无线网络

ZigBee遵循IEEE802.15.4局域网协议[^[5]]，是种便宜的低功耗的无线通信技术，它又称为紫蜂协议，这是由于ZigBee的传输方式与蜜蜂在发现花丛后的八字舞类似。可以将ZigBee与主机等设备连接起来，适合于自动化智能化传输领域。ZigBee协议从下到上分别为应用层[^[6]]、网络层、传输层、媒体访问控制层、物理层，其中物理层和媒体访问控制层是基于IEEE 802.15.4标准的协议。

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