基于ZStack-2007的树木自动灌溉器

　　摘要一种能够根据植物生长状态信息以及周围环境信息决定是否给植物浇水的设备。监控端，可以远程监控，它是整套设备的“服务器”；工作端，放在被控植物根部,是设备的控制器。设备采用cc2530无线模块同时完成检测，通信及控制功能，当传感器返回植物状态为缺水时，通过计算决定给植物浇水。
　　【关键词】ZigBee协议 低功耗 林业自动化
　　目前的植被灌溉采取大水漫灌、滴灌等方式，这些灌溉技术不能根据植被的生长特点进行灌溉，也不能根据植被生长的环境进行智能的控制水流量，容易导致灌溉不足或灌溉过剩，影响植被的正常生长和浪费水资源；另外，现有的自动灌溉设备成本较高，不适合大范围的推广应用；此外，现有的植被灌溉技术不能提供智能灌溉及远程灌溉的功能，自动化程度不高。
　　本实用新型涉及集成电路产品设计开发领域，具体采用ZStack-2007协议栈实现低功耗近距离无限组网应用，设计基于以CC2530单片机以及以K60单片机的植物自动滴灌器。
　　1 总体设计
　　采取低功耗的ARM7(KL25)作为核心控制芯片，采用CC2530作为远程工作端组成传感器网络。采集植被生长的环境信息，使用DS18B20采集大气温度，和使用用DHT11来采集土壤温湿度（特殊封装过），并且用光电传感器来判断水流量的大小。采用步进电机来机械的控制水流量的大小。利用太阳能发电，稳压芯片稳压来给整个系统提供电能。实现了智能控制水流对植被进行滴灌，由于应用于户外。为了远距离的监控系统工作环境，系统中添加了NRF905作为无线通讯来实现远距离通讯机控制，最终减轻工作人员的工作量，解放劳动力。解决了现有技术无法根据实时情况进行灌溉的缺点。
　　该设备的5个主要功能是：
　　（1）应用温湿度传感器对沙漠里种植的树木生长环境进行测量监控，并根据测得数据进行水流控制浇灌。
　　（2）将检测数据及水位数据实时传送到远端的上位机，从而实现远程实时监控的作用，并可实现缺水报警等功能。
　　（3）采用智能控制理论进行设计，并解决了现有技术操作复杂，人员劳动量大的缺点。
　　系统实现远程监控，最大限度解放生产力。采用KL25作为核心控制器具有体积小，
　　（4）低功耗，低成本，工作稳定的优点。
　　（5）系统使用寿命长，能最大限度的节省预先提供的水源。
　　本实用新型应具备以下几个优点：
　　（1）Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
　　（2）KL25采用级低功耗Cortex-M0+ 内核，大幅度的降低能耗。
　　（3）对开发人员具有简单且功能完整的人机接口。
　　（4）对用户的操作技能要求要低，争取达到免维护傻瓜式应用。
　　2 工作端
　　它包括zigbee cc2530无线模块 、传感器、工作端显示器、工作端无线通讯模块、步进电机、工作端蜂鸣报警器、工作端按键、太阳能供电装置、电源稳压器。
　　zigbee cc2530无线模块用于控制整个系统，实时发射接收并对返回的信号进行处理；传感器负责收集植物状态信息，工作段显示器用来显示植物的状态信息，工作端按键可以设置工作状态；电源稳压器和太阳能供电装置为整个系统提供稳定电能；步进电机用来驱动开关是否浇水。
　　使用时，zigbee终端节点采集收集数据信息，通过步进电机动作来实施浇水，实现自动浇水控制，实时接收和发送信号，通过射频天线发射到四周。通过多跳使协调器接收到zigbee终端节点的信号，通过NRF905发送数据给控制端，从而实现人机互动，并且使人们得到数据信息，酌情切换工作模式。
　　 3 监控端
　　它包括远程监控端电源、远程监控端无线通信模块、远程监控端KL25控制中心、远程监控端计算机、远程监控端蜂鸣器、远程监控端按键。
　　远程监控端电源负责为远程监控端供电；远程监控端无线通信模块负责通过spi通信与KL25进行通信；远程监控端KL2控制中心负责收集返回的信号并统计结果；远程监控端计算机用于显示远程监控端控制中心收集到的信息,并且对工作模式进行切换；远程监控端蜂鸣器负责报警。
　　 4 主要算法
　　在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。
　　5 结束语
　　本系统能根据环境进行智能控制浇灌水流，并远程监控及对不同品种植被进行智能浇灌，功耗低，节约了资源。系统体积小，操作方便，成本低。
　　作为新兴的短距离无线通信技术，Zigbee产品将以各种各样的方式快步向我们走来，成为人类工作和生活中不可或缺的一部分。
　　
　　参考文献
　　[1]网蜂团队. ZigBee实战演练[Z].广州大学城,2012.
　　[2]李文仲，段朝玉. ZigBee2007/pro协议栈实验与实践[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2009.
　　[3] PID control system analysis, design, and technology, IEEE Trans Control Systems Technology. University of Glasgow CAutoD ．2005
　　
　　作者单位
　　东北林业大学机电工程学院黑龙江省哈尔滨市150040