储器（ＳＲＡＭ，可外扩到６４ ＫＢ）和４ ＫＢ的Ｅ２ＰＲＯＭ。此外，它还 缓冲区为空，ＦＩＦＯ引脚输出低电平。ＦＩＦＯＰ引脚在接收ＦＩＦＯ
有８个ｌＯ位ＡＤＣ通道，２个８位和２个１６位硬件定时／计数 缓冲区的数据超过某个临界值时或者在ＣＣ２４２０接收到一个完
器，并可在多种不同的模式下工作。８个ＰＷＭ通道、可编程看 整的帧以后输出高电平。临界值可以通过ＣＣ２４２０的寄存器设
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门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器。ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、ＩｚＣ 置。ＣＣＡ引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下
总线接口。Ｊ１ｒＡＧ口为开发和调试提供了方便的接口。更值得 有效。在ＣＣ２４２０进入接收状态至少８个符号（ｓｙｍｂ０１）周期后，
一提的是，除了正常操作模式外，它还具有６种不同等级的低能 才会在ＣＣＡ引脚输出有效的信道状态信息。
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图３ ＦＦＤ测试基站硬件图
万方数据
基于ＺｉｇＢｅｅ技术的农田自动节水灌溉系统
·９７－
用的８位微控制器来说，它具有更加丰富的资源，并且能耗极
ＦＩＦＯ和ＦＩＦＯＰ引脚标识接收ＦＩＦＯ缓冲区的状态。如果接
低。它具有片内１２８ ＫＢ的程序存储器（Ｆｈｓｈ），４ ＫＢ的数据存 收ＦＩＦＯ缓冲区有数据，ＦＩＦＯ引脚输出高电平；如果接收ＦＩＦＯ
设计思想：使用成对的ＺｉｇＢｅｅ收发器来实现无线信号的传 输。单片机对信息进行中转处理，计算机对整个系统实现监测 和控制。ＺｉｇＢｅｅ自动灌溉系统示意图如图１所示。
２．２系统测试基站和子站的设计
图１ ＺｉｇＢｅｅ自动灌溉系统示意图 理器接收数据，然后就开始接收，数据经过处理后，处理器，ＺｉｇＢｅｅ收发器 中心。测试基站也可以接收监控中心传来的控制信号，然后通
以推动该技术的进一步发展和应用。采用直接序列扩频 （ＤＳＳＳ）技术，主要工作在无需注册的２．４ ＧＨｚ频段。当前比较 流行的几种无线技术的特点如表１所示。
襄ｌ 几种无线技术特点的比较
由表中可以看出ＺｉｇＢｅｅ的主要特点：低功耗；成本低；时延 短；网络容量大；安全可靠。尤其ＺｉｇＢｅｅ的低功耗是其他无线 设备望尘莫及的，因为ＺｉｇＢｅｅ的传输速率低，发射功率仅为Ｉ ｍＷ，而且采用了休眠模式，功耗低。据估计，ＺｉｇＢｅｅ设备仅靠两 节５号电池就可以维持长达６个月到２年左右的使用时间。 １．２ ＺｉｇＢｅｅ通信协议框架及其网络拓扑
耗操作模式，在每种低能耗模式下具有不同的能耗。因此该微
ＳＰＩ接口由ＣＳＮ，ＳＩ，ＳＯ和ＳＣＬＫ ４个引脚构成。处理器通
处理器非常适合于ＺｉｇＢｅｅ无线通信节点这种需要低能耗的应 用场合。
过ＳＰＩ接口访问ＣＣ２４２０内部寄存器和存储区。在访问过程中， ＣＣ２４２０是ＳＰＩ接口的从设备，接收来自处理器的时钟信号和片
２系统设计与实现
２．１系统组成 系统中以测试基站为单位进行设计安装，每个基站由若干
传感器节点和中继节点组成。网络拓扑采用混合网，每个传感
器子节点组成一个星形网，都分配一个核心节点，核心节点组成 对等网，它们之间互相可以进行无线通信。传感器子节点由简 化功能器件担任，主要完成对土壤的水分、温度等参数的采集处 理，将数据发送给所在星形网的核心节点。核心节点由全功能 器件担任，用来接收子节点采集的数据，最终所有的数据会汇集 到监控中心的采集设备。采集设备具有较强的处理能力和内 存，负责接收传感器的上传数据，经判断处理后传送给传感器或 远方更高一级监控设备。系统中网络的形成和维护都是通过设 备之间的通信而自动实现，不需要人工来干预网络。
１ ＺｉｇＢｅｅ技术介绍
１．１ ＺｉｇＢｅｅ的由来和特点 ２００１年８月，飞利浦、三菱、摩托罗拉和Ｉｎｖｅｎｓｙｓ等ＺｉｇＢｅｅ
的主要支持者组成了一个非营利性质的联盟——ｚｉｇＢｅｅ联盟，
收稿日期：２００７—０７—１７ 作者简介：刘涛（１９ｒ７ｌ一）．女，甘肃武威人，副教授，主要研究方向为测试 计量仪器与仪表、机械设计制造及其自动化；赵计生（１９８０一），男，山西 忻州人，硕士研究生。主要研究方向为单片机应用及自动化、测试计量技 术及仪嚣应用。
Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｚｉｇ，Ｂｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｒｍｌａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｓａｖｅ ｗａｔｅｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗａｔｅｒ－ｓａｖｉｎｇ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ；ｍｏｎｉｔｏｒ；ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ
ＺｉｇＢｅｅ协议的整体框架包括物理层、ＭＡＣ层、数据链接层、 网络层和应用层。其中物理层和ＭＡＣ层是由ＩＥＥＥ制定，而网 络层及应用设备层是由ＺｉｇＢｅｅ联盟制定的，用户只需编写自己 需求的最高层应用协议。
ＺｉｇＢｅｅ的网络拓扑结构有３种：星形网络、树形网络、混合 网络。其中星形网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通 过中心节点传输。如果用通信模块构造星形网络，只需要一个 模块被配置成中心节点，其他模块可以配置成终端节点。在 Ｚｉｇ，Ｂｅｅ的网络中，支持全功能设备（ＦＦＤ）和精简功能设备
等。
和７４ＨＣ３７３来扩展单片机的输出口。可以增加控制口，在
ＣＣ２４２０收到物理帧的ＳＦＤ字段后，会在ＳＦＤ引脚输出高 ７４ＨＣ３７３的输出口接驱动器、光电隔离、放大电路和电磁阀…。
电平，直到接收完该帧。如果启用了地址辨识，在地址辨识失败 从而来控制供水管道的开关，完成对供水系统的控制，实现节水
后，ＳＦＤ引脚立即转为输出低电乎。
Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ
Ｗａｔｅｒ—Ｓａｖｉｎｇ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆａｒｍｌａｎｄ
‘ＬＩＵ Ｔａｏ，ＺＨＡＯ Ｊｉ－ｓｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌ址ｌｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
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监测中心根据测试子站和测试基站发回的信息，通过总线
向灌溉控制器发控制信息，灌溉控制器根据发来的数据对电磁
阀的开关进行控制，从而灌溉农田。同时灌溉控制模块也可以
向监控中心反馈灌溉设备的工作状态，如果设备有故障，监控中
心可以及时实施应急措施。
图２ ＲＦＤ测试子站结构框图 ②测试基站。由ＺｉｇＢｅｅ收发器，微处理器组成。收发器收
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ＡＴｍｅｇａｌ２８和ＣＣ２４２０是测试基站和测试子站的核心。 选信号，并在处理器控制下执行输入输出操作。ＳＰＩ接口接收
ＣＣ２４２０使用ＳＦＤ、ＦＩＦＯ、ＦＩＦＯＰ和ＣＡＡ ４个引脚表示收发数据 或发送数据时都与时钟下降沿对齐Ｈ１。
的状态；而处理器通过ＳＰＩ接口与ＣＣ２４２０交换数据、发送命令
灌溉控制电路（见图４）由单片机承担控制，通过７４ＨＣｌ３８
３ 系统硬件
到来自本基站控制范围内的测试子站发来的数据时，通知微处
系统使用８位低功耗微处理器ＡＴｍｅｇａｌ２８，相对于其他通
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｗａｔｅｒ－ｓａｖｉｎｇ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｉｓ蚰ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｗａｙ ｔＯ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｌａｃｋ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｆｏｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ．
Ｔｈｅ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｔｗｏ·ｗａｙ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｈａｔ ｆｉｎｄｓ ｉｔｓ ｕｓｅ ｉｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｉｅｌｄ．
和供电电池组成。基本功能是由土壤传感器定时采集农田中土 壤的湿度和温度，然后传给微处理器，微处理器处理采集到的数
过ＺｉｇＢｅｅ收发器发向本基站控制范围内的测试子站，从而检测 测试子站的工作状态和设备状态。ＦＦＤ测试基站的硬件图见图
据，最后在处理器控制下由ＺｉｇＢｅｅ收发器通过天线，把数据发到 ３。
测试基站，由基站处理。ＲＦＤ测试子站的硬件结构如图２所示。