基于ZigBee技術(shù)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

?“節(jié)約用水，人人有責(zé)”，水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源。因此，推廣節(jié)水灌溉也已成為世界各國(guó)為緩解水資源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。本文提出一種基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)農(nóng)田的特殊條件，設(shè)計(jì)出一套節(jié)水灌溉系統(tǒng)，避免了依附于其他通信網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的額外費(fèi)用。

　　1 系統(tǒng)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)方案

　　按照功能需求，硬件平臺(tái)共可分為以下五個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集站，傳輸基站，數(shù)據(jù)處理中心，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站以及電磁閥控制站。圖1為系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

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圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　系統(tǒng)中各部分的功能與工作流程如下：首先根據(jù)農(nóng)田的管道分布情況，以及ZigBee無(wú)線節(jié)點(diǎn)的有效通信距離，將灌溉區(qū)分割為數(shù)塊獨(dú)立的灌溉控制單元，在每個(gè)單元中設(shè)有一個(gè)或數(shù)個(gè)傳輸基站和若干分布在農(nóng)田不同位置的數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集站通過(guò)與其連接的傳感器采集土壤濕度參數(shù)，并將數(shù)據(jù)定時(shí)傳送給傳輸基站；傳輸基站負(fù)責(zé)管理其管轄區(qū)域內(nèi)的各個(gè)數(shù)據(jù)采集站，當(dāng)數(shù)據(jù)處理中心詢問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，傳輸基站將數(shù)據(jù)進(jìn)行第一級(jí)融合后以Ad hoc的方式上傳給數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心首先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類、存儲(chǔ)并與其他的參數(shù)(如氣象信息、水文地理信息、專家系統(tǒng)以及作物的特征信息等)按照一定算法實(shí)現(xiàn)第二級(jí)融合，做出初步判決，并將判決結(jié)果連同部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過(guò)光纖以太網(wǎng)或者GPRS模塊傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站，請(qǐng)求經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員做最后的判決，并將判決信息返回給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)判決結(jié)果向電磁閥控制端發(fā)送控制指令；電磁閥控制端根據(jù)接收到的控制指令執(zhí)行灌溉控制，到此，一個(gè)完整的系統(tǒng)工作過(guò)程結(jié)束。

　　2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心部分為數(shù)據(jù)處理中心，它負(fù)責(zé)管理整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)、融合以及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端傳輸?shù)取?/p>

　　2．1 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

　　ZigBee無(wú)線通信芯片選用的是TI公司的CC2430F128，它是全球首個(gè)真正意義上的系統(tǒng)級(jí)ZigBee芯片，其射頻收發(fā)器工作在2．4 GHz ISM(IndustryScience Medical)頻段，采用低電壓(2．0～3．6 V)供電，接收發(fā)射電流為27 mA，接收信號(hào)靈敏度高達(dá)-92 dBm、最大發(fā)射功率為+O．6 dBm、最大傳送速率為250 Kb／s，硬件支持CSMA／CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和RSSI(Received Signal Strength Indicator)功能。由于其屬于高頻器件，因此本系統(tǒng)將其進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，其原理圖如圖2所示。

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圖2 CC2430模塊設(shè)計(jì)原理圖

　　在射頻電路部分使用了一個(gè)非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C2和電感L1，L2，L3以及微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。其內(nèi)部的T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來(lái)為32MHz的晶振提供一個(gè)合適的工作電流。32MHz的石英諧振器(X1)和2個(gè)電容(C191和C211)構(gòu)成高速時(shí)鐘電路。32. 768 kHz的石英晶體(X2)與2個(gè)電容(C441和C431)構(gòu)成低速時(shí)鐘電路。在模塊的外圍，采用MAX706S看門狗芯片，在程序出現(xiàn)異常時(shí)為其提供可靠復(fù)位。同時(shí)S3C2440的串口1與CC2430模塊的串口0相連，為S3C2440提供了訪問(wèn)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接口。

　　2．2 數(shù)據(jù)處理中心整體結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)處理中心主要由核心處理器、ZigBee無(wú)線通信模塊、GPRS接口模塊、存儲(chǔ)模塊以及以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換模塊等組成。其整體原理圖如圖3所示。

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圖3 數(shù)據(jù)處理中心原理圖

　　數(shù)據(jù)處理中心的主控制芯片采用的是基于ARM920T架構(gòu)的S3C2440處理器，該處理器是一款應(yīng)用于手持移動(dòng)通訊設(shè)備的32 b RISC微處理器。在本系統(tǒng)中，S3C2440主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、存儲(chǔ)、運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成TCP／IP協(xié)議的光纖信號(hào)接入到In-ternet中或者通過(guò)串口與GPRS模塊通信以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端傳輸。

　　2．3 其他硬件電路設(shè)計(jì)

　　S3C2440在接收到CC2430模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后，需要對(duì)其進(jìn)行分類存儲(chǔ)，以備在歷史數(shù)據(jù)查詢時(shí)使用。本系統(tǒng)采用S3C2440來(lái)驅(qū)動(dòng)FLASH存儲(chǔ)設(shè)備SD卡的讀寫，S3C2440具有專用的引腳通過(guò)SDIO模式來(lái)驅(qū)動(dòng)SD卡，使用起來(lái)十分方便。GPRS模塊的接口設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，S3C 2440的串口2通過(guò)MAX3232將TTL電平傳換成RS 232電平后即可與GPRS模塊相連。

　　由于農(nóng)場(chǎng)環(huán)境的特殊性，不可能為每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)供電，因此本系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池與普通干電池相結(jié)合的方式為其提供電源，在太陽(yáng)能電池電量充足的時(shí)候，采用太陽(yáng)能電池供電，當(dāng)太陽(yáng)能電池電量不足或者出現(xiàn)故障時(shí)切換到干電池端，利用干電池進(jìn)行供電。

　　由于基于IEEE 802．3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)在使用雙絞線的情況下最多只能傳輸100 m，網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)一般會(huì)在距數(shù)據(jù)處理中心數(shù)公里以外的距離，遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，設(shè)計(jì)了一種光纖以太網(wǎng)接口，使其能夠適應(yīng)較遠(yuǎn)距離的傳輸。本系統(tǒng)采用的方案為，通過(guò)S3C2440驅(qū)動(dòng)DM9000-1O／100M自適應(yīng)網(wǎng)卡芯片，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器匹配輸出，再由隔離變壓器匹配輸入給IP113A實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)由光纖收發(fā)模塊進(jìn)行光信號(hào)傳輸，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

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圖4 以太網(wǎng)光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

　　數(shù)據(jù)采集站與傳輸基站在電路設(shè)計(jì)上是相同的，只是在軟件上有所區(qū)別，其電路主要包括ZigBee無(wú)線模塊、與濕度傳感器間通信的串口模塊、防止程序出現(xiàn)異常的看門狗模塊以及供電模塊等。