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

?“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)平臺整體設(shè)計(jì)方案

　　按照功能需求，硬件平臺共可分為以下五個部分：數(shù)據(jù)采集站，傳輸基站，數(shù)據(jù)處理中心，遠(yuǎn)程監(jiān)測站以及電磁閥控制站。圖1為系統(tǒng)的硬件平臺結(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，在每個單元中設(shè)有一個或數(shù)個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)的各個數(shù)據(jù)采集站，當(dāng)數(shù)據(jù)處理中心詢問數(shù)據(jù)時，傳輸基站將數(shù)據(jù)進(jìn)行第一級融合后以Ad hoc的方式上傳給數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心首先對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類、存儲并與其他的參數(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)通過光纖以太網(wǎng)或者GPRS模塊傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)測站，請求經(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，一個完整的系統(tǒng)工作過程結(jié)束。

　　2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件平臺的核心部分為數(shù)據(jù)處理中心，它負(fù)責(zé)管理整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集、存儲、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無線通信芯片選用的是TI公司的CC2430F128，它是全球首個真正意義上的系統(tǒng)級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主要用來為32MHz的晶振提供一個合適的工作電流。32MHz的石英諧振器(X1)和2個電容(C191和C211)構(gòu)成高速時鐘電路。32. 768 kHz的石英晶體(X2)與2個電容(C441和C431)構(gòu)成低速時鐘電路。在模塊的外圍，采用MAX706S看門狗芯片，在程序出現(xiàn)異常時為其提供可靠復(fù)位。同時S3C2440的串口1與CC2430模塊的串口0相連，為S3C2440提供了訪問ZigBee無線網(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無線通信模塊、GPRS接口模塊、存儲模塊以及以太網(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)對整個系統(tǒng)內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、存儲、運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成TCP／IP協(xié)議的光纖信號接入到In-ternet中或者通過串口與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)送來的數(shù)據(jù)后，需要對其進(jìn)行分類存儲，以備在歷史數(shù)據(jù)查詢時使用。本系統(tǒng)采用S3C2440來驅(qū)動FLASH存儲設(shè)備SD卡的讀寫，S3C2440具有專用的引腳通過SDIO模式來驅(qū)動SD卡，使用起來十分方便。GPRS模塊的接口設(shè)計(jì)相對來說比較簡單，S3C 2440的串口2通過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)場環(huán)境的特殊性，不可能為每個ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)供電，因此本系統(tǒng)采用太陽能電池與普通干電池相結(jié)合的方式為其提供電源，在太陽能電池電量充足的時候，采用太陽能電池供電，當(dāng)太陽能電池電量不足或者出現(xiàn)故障時切換到干電池端，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S3C2440驅(qū)動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)光纖信號轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)由光纖收發(fā)模塊進(jìn)行光信號傳輸，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。

　　3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

　　為了滿足大面積覆蓋的需求，本系統(tǒng)采用MESH型與星型相結(jié)合的混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即底層采用星型網(wǎng)絡(luò)，上層采用MESH型網(wǎng)絡(luò)，兩者在管理上是相互獨(dú)立的。

　　在底層，傳輸基站定時T s，以廣播的形式向其管轄區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集站發(fā)送傳輸基站數(shù)據(jù)請求幀；數(shù)據(jù)采集站收到請求幀后，會將采集到的數(shù)據(jù)通過采集站數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)上傳給傳輸基站；傳輸基站收到數(shù)據(jù)后，將采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和數(shù)據(jù)融合，并對長時間沒有響應(yīng)的數(shù)據(jù)采集站的ID進(jìn)行記錄；在收到數(shù)據(jù)處理中心發(fā)出的數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)請求幀后，傳輸基站將處理好的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)處理中心。

　　數(shù)據(jù)處理中心與傳輸基站的數(shù)據(jù)傳輸采用的是輪詢方式，它會根據(jù)需要，在一定的時間內(nèi)以單點(diǎn)廣播的方式，對網(wǎng)絡(luò)中的傳輸基站發(fā)送數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)請求幀，傳輸基站收到針對自己的數(shù)據(jù)請求幀后，按照一定的路由方式上傳數(shù)據(jù)。當(dāng)需要修改數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)時(如定時發(fā)送時間間隔)，可通過控制幀進(jìn)行設(shè)定，傳輸基站收到后會將修改的值發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行確認(rèn)。圖5和圖6分別表示傳輸基站模型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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圖5 傳輸基站模型

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圖6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　對于無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，通信協(xié)議不僅可以保證網(wǎng)絡(luò)的可靠通信，還可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的通信效率，節(jié)省能耗。由于智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)所監(jiān)測的參數(shù)具有緩慢變化的特性，因此本系統(tǒng)的通信協(xié)議采用“詢問-應(yīng)答”方式，采用這種方式不僅可以避免數(shù)據(jù)并發(fā)所造成的通信阻塞，還可以很好地對應(yīng)答節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行維修。圖7為系統(tǒng)的通信協(xié)議框架。

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圖7 通信協(xié)議框架

　　本系統(tǒng)在頂層采用的是節(jié)點(diǎn)分布比較規(guī)則的MESH型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中?shù)據(jù)處理中心相當(dāng)于sink節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)傳輸基站相當(dāng)于source節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)的位置是已知的。可以將MESH網(wǎng)絡(luò)分割成若干個簇，每個簇?fù)碛幸粋€簇頭節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)直接相鄰，當(dāng)sink節(jié)點(diǎn)廣播Interest時，簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)source節(jié)點(diǎn)的簇頭信息，有選擇性地進(jìn)行廣播，這樣就可以避免一個Interest在全網(wǎng)段廣播造成的能量浪費(fèi)。

　　4 系統(tǒng)測試與結(jié)論

　　經(jīng)過實(shí)際的測試，完全可以滿足系統(tǒng)在功能方面的需求，在對ZigBee模塊的無線收發(fā)與網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性的測試中取得了比較理想的結(jié)果。

　　(1)通過使用TI公司的SmartRFStudio信號測試軟件，CC2430在最強(qiáng)發(fā)射功率條件下，在室外晴朗的環(huán)境下測得收發(fā)距離在50 m以上，如圖8所示。

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圖8 接收信號強(qiáng)度與距離曲線

　　(2)使用Linux下的Hping指令對數(shù)據(jù)處理中心的網(wǎng)絡(luò)部分進(jìn)行測試，連續(xù)7天無故障運(yùn)行，同時在使用Hping-flood，即網(wǎng)絡(luò)最大數(shù)據(jù)流量對其進(jìn)行測試時，仍可正常工作。

　　整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要在ARM處理器上進(jìn)行應(yīng)用級數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計(jì)，另外需要對上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測界面進(jìn)行設(shè)計(jì)以及在農(nóng)田現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試工作。

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