ZigBee的遠程低功耗灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計

吳祥，康戈文

（電子科技大學 航空航天學院，成都 610000）

引 言

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的滴水灌溉系統(tǒng)基礎(chǔ)上，在農(nóng)田中采用ZigBee自組網(wǎng)網(wǎng)絡進行信息的傳輸，不用在農(nóng)田中布置通信線路；遠程數(shù)據(jù)的傳輸采用GSM網(wǎng)絡，不需要額外地布置通信設(shè)備，減少了農(nóng)田灌溉的成本，增加了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)采用具有低功耗特性的ZigBee無線自組網(wǎng)單片機，采用兩節(jié)干電池供電，節(jié)約對能源的消耗。農(nóng)田中的無線傳感網(wǎng)絡可以實時地采集灌溉系統(tǒng)的運行狀況，將其傳輸?shù)竭h程的監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員實時遠程控制灌溉，極大地節(jié)省了勞動力，提高了工作效率，增加了農(nóng)民的收入。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

農(nóng)田種植面積大，地塊分散，這就決定了采集系統(tǒng)應具有如下兩個主要特點：一是系統(tǒng)控制節(jié)點多；二是系統(tǒng)是一個覆蓋面很廣的通信網(wǎng)絡（采集點具有分散性）?；谏鲜鎏攸c，系統(tǒng)設(shè)計為分布式體系結(jié)構(gòu)，主要包含農(nóng)田監(jiān)控終端和監(jiān)控管理中心兩個模塊，而農(nóng)田監(jiān)控終端由于功能的不同又分為ZigBee終端和ZigBee協(xié)調(diào)器（與上位機交互的終端）?；谏鲜龇治霰鞠到y(tǒng)采用ZigBee技術(shù)和GSM技實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡的組件和數(shù)據(jù)的傳輸。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

遠程的監(jiān)控管理中心通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送控制指令到農(nóng)田中的ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器收到控制指令后，將其轉(zhuǎn)發(fā)到ZigBee終端，以實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的控制。首先監(jiān)控管理中心的計算機通過RS232接口向GSM無線通信設(shè)備PTM100發(fā)送AT命令，PTM100以短消息形式通過GSM網(wǎng)絡把控制命令發(fā)送到農(nóng)田ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器根據(jù)監(jiān)控管理中心發(fā)送的控制命令，向相應的終端發(fā)送控制命令，控制電磁閥的關(guān)斷，ZigBee終端采集電磁閥的狀態(tài)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，再通過GSM網(wǎng)絡將電磁閥的狀態(tài)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，系統(tǒng)的硬件電路分為太陽能充電電路、CC2530供電電路、電磁閥驅(qū)動電路。

2.1 太陽能充電電路

由于ZigBee協(xié)調(diào)器不能睡眠而且加入了GSM模塊，ZigBee協(xié)調(diào)器耗電量比較大，因此ZigBee協(xié)調(diào)器必須采用太陽能電池板供給電池充電。其充電電路如2所示。

圖2 太陽能充電電路

太陽能電池板接在J1處，CN3082是一塊太陽能充電管理芯片。當輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值時，CN3082開始對電池充電，在預充電狀態(tài)和恒流充電狀態(tài)，引腳輸出低電平，表示充電正在進行。如果電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓低于1.54V，充電器處于預充電狀態(tài)，充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的20%。電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓大于1.54V且小于2.445V時，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流由電阻R1確定。當電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓大于2.445V時，CN3082處于維持充電狀態(tài)，維持充電電流由輸入電壓VIN、R2和R1決定。在維持充電狀態(tài)，當電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓下降到1.65V時，CN3082將開始新的充電周期，進入預充電狀態(tài)或者恒流充電狀態(tài)。

2.2 CC2530供電電路

由于CC2530的供電電壓為2～3.6V，而充電電池的輸出電壓為3.7V，因此用充電電池供電的CC2530供電電路必須經(jīng)過一個線性穩(wěn)壓電路，使其輸出電壓變?yōu)?～3.6V，電路如圖3所示。其中CAT6219－330是一塊輸出電流最大為500mA、輸出電壓為3.3V的線性穩(wěn)壓器件，EN端為輸入使能端，高電平時輸入有效。為了提高瞬態(tài)響應，在5腳加一個2.2μF的旁路電容，為了提高電壓抑制比和減少輸出電壓的噪聲，在4腳處接一個0.01μF的旁路電容。

圖3 CC2530供電電路

2.3 電磁閥驅(qū)動電路

由于CC2530的驅(qū)動電路很小，不能驅(qū)動電磁閥里面的電機，使電磁閥關(guān)斷，所以必須在CC2530的I／O和電機之間加上驅(qū)動電路來驅(qū)動電機，其電路圖如圖4所示。

圖4 電磁閥驅(qū)動電路

J2接電磁閥的輸入端，L7010為電機驅(qū)動模塊，其工作電壓最低可以達到1.8V，持續(xù)驅(qū)動電流達1A，尖峰工作電流可以達到2A，并且可以方便地控制電機的正反轉(zhuǎn)，其中VM為電機電源，VCC為芯片電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)控制協(xié)議設(shè)計

3.1.1 上位機向下位機發(fā)送控制消息

由于上位機發(fā)送指令時，是通過手機短信發(fā)送出去的，并且由于垃圾短信的存在，終端難免會收到一些和控制無關(guān)的指令，因此當解析短信中的控制指令時，必然會使一些短信無法解析或者解析出錯誤的控制信息。不能解析出控制指令會使程序出現(xiàn)運行錯誤，使整個系統(tǒng)癱瘓；而解析出錯誤的控制指令將使電磁閥出現(xiàn)誤動作，影響控制效果。因此，為了保證系統(tǒng)的安全性和健壯性，必須設(shè)計相應的協(xié)議。為了區(qū)分控制信息和非控制信息，必須有一個標志來加以區(qū)分，本文采用一個字節(jié)表示消息類型。每一個節(jié)點有4個電磁閥，所以采用一個字節(jié)可以描述一個電磁閥的控制信息。為了減少終端的控制和命令解析的難度，將此字節(jié)的剩下4位作為每一個電磁閥有無控制信息的標志。如果每一個節(jié)點都單獨發(fā)送一條控制短信，必然會加重系統(tǒng)的負擔，使電能消耗增加，所以本系統(tǒng)將所有節(jié)點的控制組合在一條短信中發(fā)送出去。其消息結(jié)構(gòu)如下所示。

字節(jié)1 字節(jié)2～字節(jié)n消息類型 各個節(jié)點的控制信息

消息類型域，其長度為1個字節(jié)。應用中設(shè)置成表1消息類型域，其長度為1個字節(jié)。應用中設(shè)置成表1中的某值。

表1 消息類型域的值

控制消息域，其長度根據(jù)具體農(nóng)田里的終端個數(shù)決定，一個終端采用一個字節(jié)，其中每兩位為一個電磁閥的控制信息，應用中應設(shè)置成表2所列的值。

表2 電磁閥的控制信息值

3.1.2 下位機向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)消息

上位機向下位機發(fā)送控制指令后，下位機將會向上位機發(fā)送相應的回復信息，以告訴上位機下位機對所發(fā)送指令的執(zhí)行情況，這種信息包括兩類：第一類是上位機發(fā)送完控制指令后，下位機收到指令的一個確認狀態(tài)回復，其消息類型值見表1；第二類消息是下位機對上位機發(fā)送的控制指令執(zhí)行后的電磁閥信息，電磁閥的狀態(tài)信息格式如下。

字節(jié)1 字節(jié)2消息類型 位0～3 位4電池閥狀態(tài) 是否為電磁閥狀態(tài)信息

其消息類型見表1。字節(jié)2以后的字節(jié)表示電池閥的狀態(tài)，每一個字節(jié)表示一個終端節(jié)點，其中低4位為電磁閥狀態(tài)。由于ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點可能沒有收到終端采集到的電磁閥狀態(tài)數(shù)據(jù)，所以用第4位來表示低4位是否為電磁閥狀態(tài)，1為是，0為不是。

3.1.3 ZigBee網(wǎng)絡通信協(xié)議設(shè)計

（1）ZigBee協(xié)調(diào)器消息處理

ZigBee協(xié)調(diào)器通過UART接口從短信模塊中讀取短信的內(nèi)容后，將其保存在ZiBee協(xié)調(diào)器中，等待ZiBee終端醒來后發(fā)送詢問消息。如果詢問后ZigBee協(xié)調(diào)器保留了控制消息，那么ZigBee協(xié)調(diào)器將保存的控制指令以廣播的形式發(fā)送出去，如果終端詢問過后ZigBee協(xié)調(diào)器沒有控制指令，那么ZigBee協(xié)調(diào)器將發(fā)送無控制消息到ZigBee終端。

ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)后等待ZigBee終端回復確認信息，其信息格式如下。

字節(jié)1 字節(jié)2消息類型 終端編號

其消息類型域取值見表1。協(xié)調(diào)器收到ZigBee終端的回復消息后，將該節(jié)點號所對應的字節(jié)的控制消息全部位置0，使下次廣播控制指令后，該終端節(jié)點不會采取相應動作。

當ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送完控制消息后，等待接收終端電磁閥的狀態(tài)，ZigBee協(xié)調(diào)器收到所有ZigBee終端的電磁閥狀態(tài)信息或者等待時間超時后，向上位機發(fā)送已接收到的電磁閥信息。

ZigBee協(xié)調(diào)器的消息處理流程如圖5所示。

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器的消息處理流程圖

（2）ZigBee終端消息處理

由于ZigBee終端是完全由電池供電，所以ZigBee終端必須定時睡眠來節(jié)約能量，使終端工作時間可以盡可能地長。因此，ZigBee協(xié)調(diào)器收到控制信息后不可能直接發(fā)送給終端，必須先存儲，ZigBee終端為了獲得控制消息，在醒來后必須向協(xié)調(diào)器發(fā)送詢問消息，使ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送控制消息。

ZigBee終端收到ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送來的控制指令后，向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送確認消息，使ZigBee協(xié)調(diào)器更改相應的節(jié)點狀態(tài)，避免重復發(fā)送控制指令到ZigBee終端，增加ZigBee終端的負擔。

ZigBee終端收到控制信息后，獲取本節(jié)點的控制信息，判斷是否有控制信息。如果有控制信息，為了使Zig－Bee終端的電磁閥中的電機不出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，ZigBee終端必須判斷當前的控制狀態(tài)是否和電磁閥當前的狀態(tài)相同。如果相同，則對電磁閥不采取任何控制動作；如果不同，則根據(jù)控制信息對電磁閥采取相應的控制。對控制信息進行判斷后，為了使電磁閥對控制信息有充分的反應時間，延時1s采集電磁閥的控制信息，然后將其傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器，其處理流程圖6所示?；貜偷絑igBee協(xié)調(diào)器的電磁閥的狀態(tài)信息的消息格式如下。

圖6 ZigBee終端的消息處理流程圖

字節(jié)1 字節(jié)2 字節(jié)3消息類型 節(jié)點編號 電磁閥狀態(tài)

其中消息類型域的值見表2。電磁閥狀態(tài)域低4位存放電磁閥的狀態(tài)，每一位存放一個電磁閥的狀態(tài)。

3.2 低功耗與同步設(shè)計

由于ZigBee終端節(jié)點是采用電池供電，所以ZigBee終端節(jié)點必須定時地休眠和喚醒以節(jié)約能量，使電池的供電時間更長。如果本系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)，那么路由器節(jié)點必須在非路由器節(jié)點之前醒來，這樣必然會增加系統(tǒng)的控制難度，最糟糕的情況下可能會使整個系統(tǒng)無法控制，并且可能使終端節(jié)點不定期的掉線。所以本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡，終端節(jié)點直接和協(xié)調(diào)器節(jié)點交互信息。

3.2.1 ZigBee節(jié)點同步

ZigBee節(jié)點之間的誤差主要是傳輸延時和節(jié)點之間的時鐘誤差。

（1）節(jié)點時鐘誤差測量

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點先發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，其中帶有協(xié)調(diào)器節(jié)點下一次發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間T1。節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，啟動定時器等待接收ZigBee協(xié)調(diào)器下次發(fā)送數(shù)據(jù)，當ZigBee終端節(jié)點收到下一次同步數(shù)據(jù)后，讀取定時器的時間為T2，所以時鐘偏移誤差為：a＝（T2－T1）／T1。

（2）延時誤差

ZigBee終端節(jié)點向ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送同步信息，ZigBee協(xié)調(diào)器收到同步信息后回復一個同步信息到ZigBee終端，ZigBee終端收到此回復信息的時間為T3。假設(shè)傳輸?shù)难訒r一樣，為T4，則T4＝（1＋a）×T3／2。

3.2.2 ZigBee終端節(jié)點睡眠

當ZigBee協(xié)調(diào)器接收到所有節(jié)點的狀態(tài)回復后，廣播一個睡眠消息到ZigBee終端，消息中加入睡眠的時間T5，ZigBee終端收到此時間后，開始睡眠，其睡眠時間為T5－T4－a×（T5－T4）。節(jié)點醒來后，再延時1s發(fā)送詢問消息到協(xié)調(diào)器，獲得控制消息。

結(jié) 語

本系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，能夠?qū)ι衔粰C發(fā)送的控制指令進行準確的控制。節(jié)點定時地睡眠和蘇醒，能夠有效地節(jié)約電量，兩節(jié)干電池能夠工作6個月到兩年，為系統(tǒng)在農(nóng)田這種無電源供電場合提供保障。采用同步算法和一些輔助措施，使系統(tǒng)能夠在同一時間蘇醒、同一時間睡眠，ZigBee終端節(jié)點同一時間接收到ZigBee協(xié)調(diào)器廣播控制指令數(shù)據(jù)包的概率在90%以上，更加節(jié)約能源。

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