【文章內(nèi)容簡介】 部分，有時可能正常工作的時間還不到 1%，因此達到很高的節(jié)能效果。在這種情況下， ZigBee 的網(wǎng)絡有可能依靠普通的電池連續(xù)運轉(zhuǎn)一兩年。當然， ZigBee 節(jié)點能夠方便的在休眠狀態(tài)和正常運行狀態(tài)之間靈活的切換，和它底層的特性是分不開的。 ZigBee 從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活躍狀態(tài)一般只需要十幾毫秒，而且由于使用直接擴頻而不是跳頻技術(shù)，重新接入信道的時間也很快。 最后是組網(wǎng)和路由特性，它們屬于網(wǎng)絡層的特性， ZigBee 在這方面做得相當出色。首先是大規(guī)模的組 網(wǎng)能力 —— ZigBee 可以支持每個網(wǎng)絡多達六萬多個節(jié)點，相比之下， Bluetooth 只支持每個網(wǎng)絡 8 個節(jié)點。這是因為 ZigBee 的底層采用了直擴技術(shù)，如果采用非信標模式，網(wǎng)絡可以擴展得很大，因為不需要同步。而且節(jié)點加入網(wǎng)絡和重新加入網(wǎng)絡的過程也很快，一般可以做到一秒以內(nèi)甚至更快，而 Bluetooth 通常需要 3s 時間。在路由方面， ZigBee 支持可靠性很高的網(wǎng)狀網(wǎng)的路由，因此可以布設范圍很廣的網(wǎng)絡，并且支持多播和廣播的特性，能夠給豐富的應用帶來有力的支撐。 四、 ZIGBEE 應用分析 作為一種低速率的短距離無 線通信技術(shù)， ZigBee 有其自身的特點，因此應該有為它量身定做的應用，盡管在某些應用方面可能和其他技術(shù)重疊。 我國是一個水資源缺乏和水旱災害頻繁發(fā)生的國家。我國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的 80%左右 ,由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下 ,就全國范圍而言 ,水的利用率僅為 45%,而水資源利用率高的國家已達 70%~80%,因而 ,解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題 ,對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。灌溉系統(tǒng)通過 ZigBee傳輸信號與 inter 互聯(lián)，及時采集各個區(qū)域的土壤濕度及環(huán)境信息，從而有效控制灌溉區(qū)域的用水，合理判斷灌溉時間， 達到高效節(jié)水灌溉的目的，提高灌溉效率。采用無線數(shù)字通信模塊實現(xiàn)對農(nóng)田灌溉進行無線監(jiān)測與控制，以提高水資源利用率，促進農(nóng)業(yè)良性循環(huán)。以期實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的節(jié)水自動化、無線遠程監(jiān)測、智能化控制，并且提供低成本、低能耗、易操作解決方案，促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。 第 二 章 自動灌溉系統(tǒng)的設計 第一節(jié) 背景介紹 我國自近代以來 ，隨著農(nóng)業(yè)資本化、企業(yè)化經(jīng)營方式的發(fā)展，純粹農(nóng)業(yè)勞動者的人數(shù)越來越少，大批農(nóng)村人口轉(zhuǎn)化為城市工業(yè)人口，促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、勞動力結(jié)構(gòu)等發(fā)生一系列的深 刻變化，最終形成了現(xiàn)代大農(nóng)業(yè)替代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一場農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力革命。就世界范圍而言，全球總?cè)丝?不斷增加 ，而同期的世界糧食總產(chǎn)量 增加速度卻遠遠超過 人口的增長速度，因而世界人均占有糧食 量也提高了一半以上 ?？傊?，世界農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是與工業(yè)化、城市化相伴而生的，其實質(zhì)和核心是化 “農(nóng) ”，就是農(nóng)民比重大幅減少、農(nóng)業(yè)比重大幅下降、城市化水平大幅提高的歷史演進過程。世界農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的歷史經(jīng)驗表明，資本參與利潤平均化的規(guī)律與國家支持保護農(nóng)業(yè)的政策是并行不悖的 。 堅持走中國特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路，必須順應當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本趨勢和規(guī)律 。 目 前我國與西方發(fā)達國家相比，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)既面臨著 “人口多、耕地少 ”的資源性約束，又面臨著工農(nóng)、城鄉(xiāng)發(fā)展失衡的二元結(jié)構(gòu)和體制性制約。特別是經(jīng)過了 30 年的農(nóng)村改革，我國戶均擁有 公頃耕地的超小型家庭經(jīng)營格局基本沒有得到改變，這樣就造成了發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與小農(nóng)經(jīng)濟之間的矛盾、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)投入大與農(nóng)業(yè)比較效益低之間的矛盾。這是制約我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的兩大根本原因。 要解決這樣的矛盾就要從農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的高效率，低成本，低能耗發(fā)展起來。 自動控制節(jié)水灌溉技術(shù)的高低代表著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展狀況，灌溉系統(tǒng)自動化水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因 ，因此，要解決我國農(nóng)業(yè)長久以來的矛盾就需要從灌溉系統(tǒng)的自動化做起，自動灌溉系統(tǒng)可以有效低節(jié)約水資源，從而降低農(nóng)業(yè)成本，提高效率，以達到提高農(nóng)業(yè)收益的目的，這對于我國農(nóng)業(yè)自動化的發(fā)展是十分有利的。 第二節(jié) 需求分析 一、 功能需求 ZIGBEE 灌溉自動控制系統(tǒng)是要以控制系統(tǒng)為核心來實現(xiàn)整個灌溉系統(tǒng)的運行和操作。而系統(tǒng)需要設計出幾個模塊，讓用戶針對自己的需要來進行操作。 灌溉模塊，需要實現(xiàn)的 功能有： 警報模塊，需要實現(xiàn)的功能有： 此外，用戶還可以通過手動操作停止正在運行的自動控制程序轉(zhuǎn)換成手工操作模式，并且自動灌溉的每一個功能都能夠在自動控制和手動控制之間轉(zhuǎn)換，并且不會影響其他的功能運行。 該系統(tǒng)還需要能夠采集數(shù)據(jù)信息，當系 統(tǒng)正在運行時，顯示當前系統(tǒng)的運行狀況，顯示已灌水量，工作時間，剩余時間和出錯信息。顯示上一次的總灌溉水量和累計的灌溉水量。顯示下一次的灌溉時間和已執(zhí)行的灌溉的確認信息。 并且按時間記錄過去的所有控制器的執(zhí)行信息和出錯信息。 二、 灌溉控制 系統(tǒng) 需求說明 用例圖 圖 灌溉控制模塊用例圖 需求說明 可用性需求 詳細要求 1 界面美觀簡潔 2 保證界面易懂且便于操作 3 為操作員隨便采集數(shù)據(jù)信息 可靠性需求 詳細要求 1 保證系統(tǒng) 24 小時運行 2 支持數(shù)據(jù)的導入與導出 ，便于發(fā)生事故后恢復 3 當自動灌溉故障時，能隨時切換至手動操作 性能需求 詳細要求 1 確保數(shù)據(jù)的時效性和準確性 2 保證足夠的數(shù)據(jù)吞吐量 3 保證系統(tǒng)能在 24 小時內(nèi)恢復 可支持性需求 詳細要求 1 預留數(shù)據(jù)導出和導入的接口 表 1 灌溉控制系統(tǒng)需求說明 三、 灌溉控制系統(tǒng)需求說明 在對 ZIGBEE 灌溉自動控制系統(tǒng)作出了全面細致的需求分析后，明確了該系統(tǒng) 應具有的功能、性能與界面， 在更加清楚用戶需求后 ， 我們將在此基礎上更進一步做出設計和開發(fā)工作。 在這個系統(tǒng)中，用戶輸入數(shù)據(jù)后，如圖 數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器分析處理數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳輸至 ZIGBEE 無線傳感器，再由傳感器控制水泵灌溉，之后傳感器收集環(huán)境信息和灌溉數(shù)據(jù)反饋給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器分析數(shù)據(jù)，如果異常則彈出警告，正常則傳輸至數(shù)據(jù)庫 ，最后由數(shù)據(jù)庫將采集的信息顯示到操作員界面。 為了更好地體現(xiàn)出用戶的要求以及用戶與數(shù)據(jù)間的關(guān)系，我特意用 ER 圖表示出來，操作員控制自動灌溉的數(shù)據(jù)以及切換成手動或者自動，傳感器將各種信息收集起來最終反饋至操作員，如圖 。 圖 ZIGBEE 灌 溉自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù) 流 圖 操作員 ZIGBEE 灌溉自動控制系統(tǒng) 協(xié)調(diào) 器 登錄 設定自動控制參數(shù) ZIGBEE 無線傳感器 灌溉水泵 分析處理數(shù)據(jù) 采集灌溉數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常 否 彈出警告界面 是 數(shù)據(jù)庫 圖 ZIGBEE 灌溉自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù) ER 圖 操作員 灌溉閥門 灌溉日期范圍 灌溉次數(shù)及周 期 手動 / 自動控制 灌溉水量及時間 灌溉序列 采集 數(shù)據(jù)信息 N 1 已灌水量 工作時間 剩余時間 出錯信息 濕度 累計灌水量 土壤信息 第三節(jié) 總體設計 總體設計的目的 總體設計 又稱為基本概要設計，它 的基本目的就是概括地給出系統(tǒng)實現(xiàn)的方案。 在這里我將 ZIGBEE 灌溉自動控制系統(tǒng)的總體設計分為兩個階段：結(jié)構(gòu)設計和軟件設計。總體設計是系統(tǒng)設計的一個重要階段，它將一個比較籠統(tǒng)的項目逐步細化成為具體的工作，最終把這些工作綜合成一個 高技術(shù) 、 低成本 、 高效率 、能協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的實際系統(tǒng) 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計定義系統(tǒng)和各個模塊之間的關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)需求分析中的功能分析便得到了系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖（圖 ） 用戶進入 ZIGBEE 灌溉自動控制系統(tǒng)，登錄后跳轉(zhuǎn)至操作員界面，進入操作員界面后會顯示采集的數(shù)據(jù)，如：灌溉水量，灌溉信息及系統(tǒng)信息等。 自動 /手動轉(zhuǎn)換：在操作員界面可以把自動灌溉系統(tǒng)在自動和手動之間切換。 灌溉控制：由操作員界面進入灌溉功能模塊，進入灌溉功能后則可以控制各種灌溉功能，并且每一種功能都可以在自動和手動間單獨切換且不影響其它功能的模式。 警報功能：當滿足警報條件，如：灌溉流量 過高或過低、閥門等設備異常、程序異常等情況，就會在操作員界面彈出警報，提示操作員出現(xiàn)的異常。 數(shù)據(jù)信