一種基于ZigBee技術的無線低功耗微灌系統設計

夏 勇

(長江工程職業(yè)技術學院， 武漢 430212)

0 引 言

我國是個缺水的國家，水資源分布不平衡。在干旱缺水的地區(qū)，水資源緊缺更加嚴重。而且由于技術、管理水平落后,導致灌溉用水浪費也十分嚴重,農業(yè)灌溉用水的利用率僅為40%。微灌技術能夠實現農作物的精準灌溉，提高水的利用效率，研究智能微灌技術可有效解決干旱、缺水地區(qū)的灌溉問題，實現農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。如果根據監(jiān)測土壤的信息,實時控制灌溉時機和水量,可以有效提高用水效率。因此,設計一種應用系統,通過應用低功耗ZigBee技術，降低灌溉的人工成本，提高效率，同時可不依賴于移動網絡覆蓋獨立運行,實現土壤信息的連續(xù)在線監(jiān)測系統就是本設計的思想。

本系統設計應用于較為偏遠的灌溉地區(qū)系統，以ZigBee無線通信系統為基礎，通過應用低功耗ZjgBee技術，研究智能微灌解決方案。為實現最低的運行成本，最大程度減少甚至達到完全免維護，需要研究周期內達到發(fā)電能力與電力消耗的平衡。本設計從發(fā)電及耗電兩方面進行優(yōu)化，系統以ZigBee無線通信系統為基礎，研究智能微灌解決方案，通過優(yōu)化網絡拓撲結構，設置可充電電池及緩沖電容、針對灰塵積累問題設計特型太陽能電池、整體設計均采用低功耗元件等措施降低系統功耗，達到系統運行接近免維護的目的。

1 系統設計及實現

1.1 ZigBee技術

ZigBee技術則是一種新型的短距離雙向無線傳輸技術，滿足了無線傳感器網絡的組網要求。ZigBee技術是為低數據速率、短距離無線網絡通信定義的一系列通信協議標準?；趜igBee的無線設備工作在868，915 MHz和2.4 GHz頻帶。其最大數據速率是250 kbps。

ZigBce技術主要針對以電池為電源的應用，這些應用對低數據速率、低成本、更長時間的電池壽命有較高的需求。

ZigBee標準采用IEEE 802.15.4標準作為其為其PHY層和MAC層協議。遵循ZigBee的設備，也同樣遵循IEEE 802.15.4標準。其網絡結構為指定的兩種拓撲之一：星型或點對點型，IEEE 802.15.4無線網絡中有兩種設備類型：全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。FFD可以執(zhí)行IEEE 802.15.4標準中描述的所有功能，可扮演網絡中的所有角色：協調器、PAN協調器和普通設備。協調器是FFD設備，能夠中繼消息，如果協調器同樣也是區(qū)域網絡的主控制器，稱為PAN協調器，如果不作為協調器稱為普通設備。RFD只有部分功能，RED只能和FFD設備通信。一個網絡總是由一個PAN協調器所創(chuàng)建，PAN協調器為網絡選擇一個在其覆蓋范圍內唯一的PAN標識符，為網絡中的每一個設備分配一個唯一地址，初始化、終止、轉發(fā)網絡中的消息。

1.2 系統結構設計

農業(yè)種植，尤其偏遠地區(qū)，面積大，地理位置較為分散，因此系統需要覆蓋很大的范圍。由于在偏遠地區(qū)移動網絡(GSM等)覆蓋較為不全，通常只有靠近村莊、公路等位置才有較好覆蓋，因此本設計以中心站有GSM網絡為條件，在中心站設置GSM收發(fā)器，其余設備均采用ZigBee技術，由無線傳感節(jié)點(RFD)、無線路由節(jié)點(FFD)、中心協調器部分組成,通過ZigBee自組網。每個傳感節(jié)點通過溫濕度傳感器,自動采集土壤信息,并結合預設的濕度上下限進行分析,判斷是否需要灌溉及何時停止。每個節(jié)點通過太陽能電池供電,電池電壓被隨時監(jiān)控,一旦電壓過低,節(jié)點會發(fā)出電壓過低的報警信號,發(fā)送成功后,節(jié)點進入睡眠狀態(tài)直到電量充足。其中中心站協調器與路由器間距離在300 m～1.6 km終端設備與路由器距離≤300 m?？傮w結構如圖1所示。

圖1 網絡結構

1.3 低功耗模式設計

根據微灌的應用特性，系統無需時時處于在線狀態(tài)且需要傳輸的數據量通常較小(如向下傳遞開關指令、統一時鐘信息，返同溫度、濕度、設備正常標志、電量等)，在空閑時間將系統除中心站協調器及路由器以外所有終端設置在睡眠狀態(tài)下，可節(jié)約絕大部分電力。

在ZigBee協議中，定義PMO(電源常通)----PM3(僅支持外部中斷喚醒)四種電源模式，其中PM2以較低的功耗支持定時器喚醒．適合本系統設計。

對傳感器節(jié)點加電后，執(zhí)行初始化程序，為整個網絡的形成做準備。由節(jié)點模塊掃描整個網絡，通過掃描頻段選定信道。檢查網絡是否存在，入網后開啟中斷，啟動定時器，系統進入休眠狀態(tài)。檢查節(jié)點是否有發(fā)送信息任務，沒有信息則休眠。有信息則定時器產生溢出中斷后系統被喚醒，處理器系統進入工作狀態(tài)，讀入傳感器數據，按格式對數據進行封裝并發(fā)送，發(fā)送成功進入休眠狀態(tài)，等待再次被喚。節(jié)點模塊要在固定的時間內掃描網絡，以確保節(jié)點本身在網絡中。這些軟件設計使得傳感器節(jié)點在使用過程中的功耗在很大程度上得到降低，達到低功耗的設計目的。傳感器節(jié)點的軟件設計流程如圖2所示。

圖2 流程圖

1.4 拓撲結構及能效路由

在灌溉系統中，通?？烧J為中心站是接近于電網供電的，無需進行功耗考慮。而其他各個路由或終端均需要進行考量。在ZigBee NwK層中提供路由發(fā)現程序，可通過選擇合適的路由機制避免劣質鏈接、降低長消息延遲同時延長網絡壽命(從正常工作到第一個節(jié)點失效的時間)。例如，更接近于中心站的路由可能因傳遞更多的數據而工作更長時間或工作在更高的傳輸速率下,從而消耗更多的電力,本設計采用電源感知路由方式，將電池狀態(tài)信息(包含于設備描述中的節(jié)點電源描述符中)納入計算鏈接開銷的考慮范圍內,可以盡量使整個網絡的電量平均。盡管總消耗可能稍高，但提供更大的可能渡過長期光照不足導致的部分電池完全耗盡，以至于電池不可逆損壞及網絡完全斷開或分裂。一次路由的示例如圖3所示。

圖3 一次路由示例

1.5 電池估算

本系統設計采用鋰電池及電容供電，典型電壓為3.6～3.8 V，電路及微灌設備中元件除電磁閥外均采用3.3 V供電，因此電池可按電池容量(mAh)簡單估算。

zigBee設備搜索時延通常為30 ms，休眠激活時延為10～15 ms，活動設備信道接入時延為15 ms。假毆每1、4 h喚醒互聯網工作一次，設備的工作狀態(tài)可按如圖4及表1所示方式估算。

圖4 休眠模式

步驟活動時長平均電流能量/mAh1設備休眠1～4h1μA1．00×10-3～4．00×10-32沒備轉入活動模式55＂60ms50μA7．99×10-63采集、處理、存儲傳感器信息1ms5mA139×10-64設備處于接收模式執(zhí)行CCA700μs20mA3．89×10-65設備發(fā)送數據包550μs20mA3．06×10-66設備處于接收模式等待確認400μs20mA2．22×10-67設備返回休眠總能量消耗/mAh 約1．01×10-3～4．01×10-3

由圖4和表1可見，由于喚醒時間空比極低，對于終端節(jié)點來說，相比于喚醒時間，休眠時期電流對平均電流消耗有更明顯的影響。

1.6 發(fā)電優(yōu)化

隨著光伏技術的發(fā)展以及鋰電池生產成本的降低，通過使用太陽能及鋰電池充電系統，可以以不高的成本搭建供電系統，獲得比干電池更好的性能，并在使用壽命內節(jié)約同硬件成本。

本設計選用最為成熟的18650電池，根據電解質種類或電極材料、品牌等的不同，通常循環(huán)次數在500～2 000 次(特殊型號)間，以常見1 000 次循環(huán)為例，通過控制充放電起點延長電池壽命，如電量在80%～95%以下時開始充電。此值由具體應用環(huán)境的氣候條件、平均光照時間等確定，較高的起點減少因長期無光照致電力不足的可能，較低(通常不低于80%)的起點可減少循環(huán)次數。在電池與穩(wěn)壓芯片間設置大容量電容，提供緩沖，進一步提高供電效率。

2 硬件智能控制單元電路設計

智能控制單元是系統現場控制的關鍵，本設計采用TI CC2530作為主控芯片，具有低功耗、硬件支持廣泛、較低價格、通信性能優(yōu)越等特點，可直接使用PCB天線工作，同時支持放大器和SMA天線。電路設計框圖如圖5所示，包括ZigBee通信模塊，單片機，電磁閥控制電路，太陽能供電系統。無線通信模塊采用串口與單片機，在主站可根據需要選擇3G模塊實現遠距離數據傳輸。軟件開發(fā)環(huán)境為IAR，程序由C語言編寫。

圖5 硬件框圖

在我國西北部 ，由于現場環(huán)境較為惡劣，普遍存在太陽能電池板被沙塵、積雪等覆蓋，在工作一段時間以后，發(fā)電效率大幅下降，在本系統中，如因為灰塵或積雪的積累導致充電能力逐漸下降，則會可能導致無法達到預期免維護效果。因此，本設計考慮以圓柱形透明外殼+垂直排列薄膜柔性太陽能電池，或球形外殼+斜置太陽能電池抵消此類灰塵積累造成的發(fā)電下降。由于路由器不支持休眠，因此為路由器設置較大的太陽能電池以保證系統狀態(tài)正常。

應用環(huán)境中常見的條件還包括溫度變化，為保證鋰電池的安全和活性，通常應避免溫度范圍超過-10 ℃～+50 ℃范圍?？筛鶕玫攸c具體情況，將電路板及鋰電池放置在如圖6所示兩個位置(1、2位置)。對于夏季炎熱地區(qū)．可考慮偏向于中部位置，寒冷地區(qū)可考慮偏向于埋入地表以下并包裹于保溫材料中。

圖6 路由及終端設備結構

在設備下端設置由脈沖驅動的電磁閥，較大的緩沖電容由太陽能電池充電，可直接驅動電磁閥，進一步降低功耗。

3 結 論

本系統采用多項措施綜合改進，能夠對中心站發(fā)送的控制指令進行準確的控制。節(jié)點定時地睡眠和喚醒，能夠有效降低功耗，基本達到長期免維護。

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