畢業設計-zigbee灌溉自動控制系統(已修改)

　

【正文】 編 號： 審定成績： 重慶郵電大學 畢業設計（論文） 設計（論文）題目： ZIGBEE 灌溉自動控制系統 學 院 名 稱 ： 軟件學院 學 生 姓 名 ： 專 業 ： 軟件工程 班 級 ： 1310701 學 號 ： 指 導 教 師 ： 答辯組 負責人 ： 填表時間： 2021 年 5 月 重慶郵電大學教務處制 摘 要 我國農業灌溉缺水是一個重要的問題，因此發展高效自動化的農業灌溉是最可行的出路。 針對節水灌溉受多種因素影響難以建立精確控制模型的特點 , 為了 實現 作物的自動、 適時 與適量灌溉 , 設計了基于 ZigBee 和模糊控制決策的全自動灌溉系統。該系統通過 ZigBee 無線傳感器網絡采集土壤水勢與環境氣 象信息 , 由農田蒸散量和土壤水勢作為輸入 , 以作物需水量為輸出 , 采用模糊推理規則 , 使用分段模糊控制策略獲得 了作 物的需水量 ,構成智能灌溉系統 。采用 ARM9 微處理器 , 基于嵌入式 Linux 開發了網關節點 ,現了數據的匯聚 和 GPRS 通信方式的遠程數據及命令轉發。試驗結果表明 : 該系統能快速準確地計算出作物的需水量 , 經濟 實用 ,有效地 實現 了全自動節水灌溉 , 特別適用于中小型灌溉區域的精細灌溉。 【關鍵詞】 ZigBee。 自動灌溉 。 控制系統 。 前 言 農業是最基本也是最古老的行業，也是從古至今人類各行各業發展的基礎。從農業的長遠發展來看，灌溉 系統是一個很關鍵的問題。 由傳統農業向現 代化農業轉變，必須要求農業科技有一個大的發展，進行一次新的農業技術革命。要發展農業技術，首先就要從灌溉系統入手。灌溉系統自動化水平較低是制約我國高效農業發展的主要原因。傳統的灌溉模式自動化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對于給定的量，在操作中也無法進行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動時間和節約水資源，必須發展自動灌溉控制系統。 ZIGBEE 無線傳感器是作為灌溉系統控制和管理的有效工具，它便于操作，又可以提高操作的精確性，并且只要實現了自動控制系統，對操作員也不需要過高的要求。使用 ZIGBEE 灌溉 自動控制系統不僅能夠極大地減少農業灌溉所需的勞動力，并且還能進行比傳統農業灌溉更為精確，更有效率的工作，從而達到提高農業產量和質量，節約農業灌溉所需資源的目的。 自動灌溉控制系統在我國的使用并不算普及，與歐美發達國家相比還有很大的差距，我國的農業基本上還沒有實現農業自動化的普及。即使部分地方有自動灌溉控制系統，但是并沒有實現高效節能的自動化，只是根據經驗來按時定量地進行灌溉，這樣并不能實現向高效化為目標發展的農業現代化。 我國的 自動 灌溉控制 系統 的研制和使用尚處于起步階段，因此，作為一個農業大國，中國研究開發自 己的先進的低成本、使用維護方便、系統功能強且擴展容易的國產化 自動 灌溉器是一項極有意義的工作。隨著計算機技術和傳感器技術的迅猛發展，計算機和傳感器的價格日益降低，可靠性日益提高， 以信息技術發展農業已經成為了必然的趨勢 。用高新技術改造農業產業，實施節水灌溉已成為我國農業乃至國民經濟持續發展帶戰略性的根本大事。 現在我需要設計的就是通過 ZIGBEE 無線傳感器建立的自動灌溉控制系統 ，它能 控制灌溉系統 對作物進行適時、適量的灌水，起到高效灌溉，節水、節能的作用。 日本，以色列以及歐美等農業發達國家都已實現了農業的自動化， 而他們發展自動化的一個重要途徑就是灌溉系統的自動化控制。他們采用先進的節水灌溉制度，由傳統的充分灌溉向非充分灌溉發展，對灌區用水進行監測預報，實行動態管理，采用遙感技術，監測土壤墑情和作物生長，開發和制造了一系列用途廣泛，功能強大的數字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應用。地處干早缺水地帶的以色列，它是世界上微灌技術發展最具有代表性的國家，目前全國農業土地基本上實現了灌溉管理自動化，并且普遍推行自動控制系統，按時、按量將水、肥直接送入作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產量都相當高。北美、澳大利亞韓國等國家和地 區都已有發展成熟并形成系列的灌溉控制器產品，微灌方式普遍采用計算機控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關土壤水分的信息，還有的傳感器系統能通過檢測植物的莖和果實的直徑變化來決定對植物的灌水間隔。計算機化操作運行精密、可靠、節省人力，對灌溉過程的控制可達到相當的精度，在以色列，已經出現了在家里利用電腦對灌溉過程進行全部控制 (無線、有線 )的農場主。 我國是一個水資源嚴重缺乏和水旱災害頻繁發生的國家，農業用水量大且農業灌溉用水率普遍十分低下，這對于我國農業發展是一個極大的制約。因此，在這樣的背景下，解決農業自動灌 溉的問題是十分重要的。為灌溉系統合理地發展自動化控制 ,不僅可以提高資源利用率 ,緩解水資源日趨緊張的矛盾 ,還可以增加農作物的產量 ,降低農產品的成本。通過 ZIGBEE 無線傳感器測量農田的周邊環境信息來實現農業灌溉的自動化控制。 ZIGBEE 作為一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術 ,它依據 標準 ,在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這種傳感器耗能極低，通過無線傳輸將數據從一個傳感器傳至另一個傳感器，因此 ZIGBEE 通信效率非常高。 ZIGBEE 灌溉控制系統通過將傳感 器和芯片以網狀埋設于農田各地，在通過無線傳輸將農田信息傳遞至控制系統，然后再由控制系統分析數據，從而實現自動灌溉。 第一章 ZIGBEE 概述 第一節 ZIGBEE 技術 的發展歷史及趨勢 Zigbee 是 IEEE 協議的代名詞。 與藍牙相似 ， 根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。 這個名稱最初是源于蜜蜂的舞蹈 ，由于蜜蜂 (bee)是靠飛翔和 “嗡嗡 ”(zig)地抖動翅膀的 “舞蹈 ”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。 它的 特點是 低復雜度、 近距離 、自組織、 低數據速率、 低功耗、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。 早在上世紀末，就已經有人在考慮發展一種新的通信技術，用于傳感控制應用，這個想法后來在 工作組當中提出來，于是就成立了 TG4 工作組，并且制定了規范 。但是 IEEE802 的規范只專注于底層，要達到產品的互操作和兼容，還需要定義高層的規范，于是 2021 年 ZigBeeAlliance 成立，正式有了 “ZigBee”這個名詞。兩年之后， ZigBee 的第一個規范 誕生，但這個規范推出的比較倉促，存在一些錯誤，并不實用。此后 ZigBeeAlliance 又經過兩年的努力，推出了新的規范 ZigBee2021，這是一個比較完善的規范。據聯盟最新的消息，今年年底將會發布更新版本的規范 ZigBee2021，這個版本增加了一些新的特性。 從 ZigBee 的發展歷史可以看到，它和 有著密切的關系，事實上 ZigBee 的底層技術就是基于 的，因此有一種說法認為 ZigBee和 是同一個東西，或者說 “ZigBee”只是 的名字而已，其實這是一種誤解。實際上 ZigBee 和 的關系，有點類似于 WiMAX和 ， WiFi 和 ， Bluetooth 和 。 “ZigBee”可以看作是一個商標，也可以看作是一種技術，當把它看作一種技術的時候，它表示一種高層的技術，而物理層和 MAC 層直接引用 。事物是不斷的發展變化的，尤其是通信技術，可以想象將來的 ZigBee 可能不會使用 定義的底層， 就跟藍牙 (Bluetooth)宣布下一代底層采用 UWB 技術一樣，但是“ZigBee”這個商標以及高層的技術還會繼續保留。 第 二 節 ZIGBEE 技術的分析 一、 ZIGBEE 基于幾種無線通信的比較 我們無法預料將來 ZigBee 會基于怎樣的底層技術，只好從它現在的底層—— 開始了解， 包括物理層和 MAC 層兩部分。 ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用于歐洲的 868MHz 頻帶，用于美國的 915MHz 頻帶，以及全球通用的 頻帶，但這三個頻帶的物理層并不相 同，它們各自的信道帶寬分別