劉 智
(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212003)
綠化灑水是綠化養(yǎng)護(hù)不可缺少的一部分。本文提出的設(shè)計(jì)方案主要是關(guān)于灑水控制與監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的灌溉與監(jiān)測(cè)形式上是一樣的,分為兩種:一是人工,二是通過有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于例如高爾夫球場(chǎng)、大型公園等這些大型場(chǎng)所,前者耗費(fèi)人力,后者布線復(fù)雜、維護(hù)麻繁[1]。本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的智能化草坪自動(dòng)噴水系統(tǒng),解決了以上問題。
本系統(tǒng)使用了基于ZigBee的WSN技術(shù),借鑒了國(guó)內(nèi)外ZigBee技術(shù)應(yīng)用研究經(jīng)驗(yàn)[2],設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu),其中 E1、E2、E3、E4分別代表路由采集節(jié)點(diǎn),R1、R2代表路由節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)基站三部分組成。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)
路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和子節(jié)點(diǎn)管理,可擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)周期性地向協(xié)調(diào)器反饋土壤濕度信息與工作狀態(tài),或者按接收到的命令實(shí)時(shí)反饋濕度信息。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò),收集采集節(jié)點(diǎn)的土壤濕度信息和工作狀態(tài),通過UART、USB等方式傳到與之相連的監(jiān)測(cè)基站和提供語(yǔ)音提示服務(wù)。監(jiān)測(cè)基站的軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中[3]。
本系統(tǒng)硬件節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),其中路由節(jié)點(diǎn)的功能與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)相仿,只需要將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的相關(guān)傳感器去掉即可。軟件實(shí)現(xiàn)也與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)類似。下面主要講述數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
2.1.1 硬件組成
圖2 采集節(jié)點(diǎn)
數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成如圖2所示,其中土壤濕度采集模塊采用電壓型PH-TS土壤濕度傳感器。該模塊的工作電壓為5~12 V,采用升壓模塊LM2577供電,測(cè)量參數(shù)為土壤容積含水量,單位為%(m3/m3),具有響應(yīng)快、穩(wěn)定快、精度高的特點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)使用CC2430作為主控芯片,其中,升壓模塊由3 V電壓源供電,與開關(guān)電路搭配使用,CC2430輸出控制信號(hào)給開關(guān)電路,當(dāng)CC2430不處于采樣狀態(tài)時(shí),升壓模塊與電源模塊之間斷開,減少功耗。
2.1.2 軟件設(shè)計(jì)
由于采集節(jié)點(diǎn)的供電源是電池,為了延長(zhǎng)工作壽命,軟件按功能劃分主要有:通信協(xié)議模塊、采集控制模塊、功耗管理模塊。采集控制模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和噴水的控制,流程如圖3所示,其中噴水控制閾值分為上限和下限閾值。功耗模塊管理節(jié)點(diǎn)的電源模式,當(dāng)節(jié)點(diǎn)工作完畢后,便進(jìn)入休眠模式。整體流程如圖4所示。
圖4 采集節(jié)點(diǎn)工作流程
2.2.1 硬件設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中,協(xié)調(diào)器可以通過串口與上位機(jī)通信,如圖5所示,包括CC2430芯片、UART接口、USB接口、YS07型語(yǔ)音模塊。語(yǔ)音模塊提供語(yǔ)音提示功能。接口模塊用于與上位機(jī)通信,設(shè)計(jì)了USB與UART兩種接口,使系統(tǒng)具有擴(kuò)展性[4-5]。
圖5 協(xié)調(diào)器
2.2.2 軟件設(shè)計(jì)
軟件實(shí)現(xiàn)按功能劃分模塊包括:網(wǎng)絡(luò)建立模塊、節(jié)點(diǎn)管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、語(yǔ)音提示模塊、上位機(jī)通信模塊,具體流程如圖6所示。首先,協(xié)調(diào)器開始建立網(wǎng)絡(luò),使用Z-STACK2004協(xié)議棧,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置,尋找可利用信道,建立網(wǎng)絡(luò);接著,進(jìn)行參數(shù)的初始化,其中包括IO初始化、RAM初始化和工作節(jié)點(diǎn)表初始化等;然后,協(xié)調(diào)器便進(jìn)入一個(gè)正常的工作輪詢循環(huán)中。詢問是否有節(jié)點(diǎn)管理事件發(fā)生,如果有新節(jié)點(diǎn)加入,則初始化各項(xiàng)參數(shù),然后將它加入工作列表;如果是個(gè)舊節(jié)點(diǎn),則從Flash中讀取它過去的參數(shù),然后加入工作列表;如果有節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò),則將它的數(shù)據(jù)移入Flash的休息列表中,然后將它從工作列表中移除;如果要修改節(jié)點(diǎn)的參數(shù)值,便從工作列表中找出該節(jié)點(diǎn),進(jìn)行參數(shù)修改,然后發(fā)送數(shù)據(jù)包通知該節(jié)點(diǎn)修改參數(shù)。沒有事件處理了,便詢問數(shù)據(jù)采集事件。如果需要廣播采集,便發(fā)送廣播幀給所有終端節(jié)點(diǎn);如果是單播采集,便單獨(dú)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給目標(biāo)節(jié)點(diǎn),通知它采集數(shù)據(jù);如果有接收到數(shù)據(jù)包,則將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和更新。沒有事件處理了,便進(jìn)行下一步,詢問語(yǔ)音提示,如果有事件要處理,就執(zhí)行語(yǔ)音提示服務(wù),語(yǔ)音服務(wù)主要有節(jié)點(diǎn)加入提示、節(jié)點(diǎn)電池更換提示。接著詢問是否有上位機(jī)通信事件發(fā)生,這里主要完成將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)和解析從上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)沒有事件需要處理了,便進(jìn)入下個(gè)輪詢循環(huán)。
圖6 協(xié)調(diào)器工作流程
圖7 上位機(jī)軟件界面
協(xié)調(diào)器可通過串口與上位機(jī)連接,將收集的節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī),在上位機(jī)的軟件界面顯示并且可隨時(shí)將所測(cè)量值以文本格式進(jìn)行存儲(chǔ)以便后期跟蹤記錄、查詢等。上位機(jī)軟件界面如圖7所示。
本文設(shè)計(jì)了一種低功耗的智能化自動(dòng)噴水系統(tǒng)。管理者從串口軟件界面上可以了解到各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的情況,并且可以通過串口軟件提供的操作功能來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。另外,協(xié)調(diào)器帶有語(yǔ)音提示功能,可進(jìn)一步幫助管理者有效管理網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),該系統(tǒng)的功能還有很大的擴(kuò)展空間,如PH值檢測(cè)、溫度檢測(cè)、檢測(cè)故障等功能,比較適合于綠化管理數(shù)字化建設(shè)的需求,具有較好的市場(chǎng)前景。
[1]包長(zhǎng)春,石瑞珍,馬玉泉,等.基于 ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)設(shè)施測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(8):160-164.
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