ZigBee的远程低功耗灌溉控制系统设计

摘要：设计一套基于ZigBee和GSM远程无线控制系统，对农田里的滴灌系统进行远程控制。设计了上位机和农田中的ZigBee协调器，ZigBee协调器与ZigBee终端传输消息来对灌溉系统进行安全有效的控制。采用适合于ZigBee星型网络的时间同步算法，满足ZigBee节点的同步休眠与唤醒的需要。设计相应的电磁阀控制策略对电磁阀进行安全有效的控制。
关键词：ZigBee；时间同步；休眠；无线遥控灌溉控制；低功耗

引言
    本系统在传统的滴水灌溉系统基础上，在农田中采用ZigBee自组网网络进行信息的传输，不用在农田中布置通信线路；远程数据的传输采用GSM网络，不需要额外地布置通信设备，减少了农田灌溉的成本，增加了系统的安全性。系统采用具有低功耗特性的ZigBee无线自组网单片机，采用两节干电池供电，节约对能源的消耗。农田中的无线传感网络可以实时地采集灌溉系统的运行状况，将其传输到远程的监控系统，工作人员实时远程控制灌溉，极大地节省了劳动力，提高了工作效率，增加了农民的收入。

1 系统总体设计
    农田种植面积大，地块分散，这就决定了采集系统应具有如下两个主要特点：一是系统控制节点多；二是系统是一个覆盖面很广的通信网络(采集点具有分散性)。基于上述特点，系统设计为分布式体系结构，主要包含农田监控终端和监控管理中心两个模块，而农田监控终端由于功能的不同又分为ZigBee终端和ZigBee协调器(与上位机交互的终端)。基于上述分析本系统采用ZigBee技术和GSM技实现系统网络的组件和数据的传输。其系统结构如图1所示。

    远程的监控管理中心通过GSM网络发送控制指令到农田中的ZigBee协调器，ZigBee协调器收到控制指令后，将其转发到ZigBee终端，以实现对灌溉系统的控制。首先监控管理中心的计算机通过RS232接口向GSM无线通信设备PTM100发送AT命令，PTM100以短消息形式通过GSM网络把控制命令发送到农田ZigBee协调器，ZigBee协调器根据监控管理中心发送的控制命令，向相应的终端发送控制命令，控制电磁阀的关断，Zig Bee终端采集电磁阀的状态通过无线网络传输到ZigBee协调器，再通过GSM网络将电磁阀的状态传输到数据终端。

2 系统硬件设计
    根据系统功能的要求，系统的硬件电路分为太阳能充电电路、CC2530供电电路、电磁阀驱动电路。
2．1 太阳能充电电路
    由于ZigBee协调器不能睡眠而且加入了GSM模块，ZigBee协调器耗电量比较大，因此ZigBee协调器必须采用太阳能电池板供给电池充电。其充电电路如2所示。

    太阳能电池板接在J1处，CN3082是一块太阳能充电管理芯片。当输入电压大于电源低电压检测阈值时，CN3082开始对电池充电，在预充电状态和恒流充电状态，引脚输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压反馈输入端FB引脚电压低于1．54 V，充电器处于预充电状态，充电电流为所设置的恒流充电电流的20％。电池电压反馈输入端FB引脚电压大于1．54 V且小于2．445 V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由电阻R1确定。当电池电压反馈输入端FB引脚电压大于2．445 V时，CN3082处于维持充电状态，维持充电电流由输入电压VIN、R2和R1决定。在维持充电状态，当电池电压反馈输入端FB引脚电压下降到1．65 V时，CN3082将开始新的充电周期，进入预充电状态或者恒流充电状态。
2．2 CC2530供电电路
    由于CC2530的供电电压为2～3．6 V，而充电电池的输出电压为3．7 V，因此用充电电池供电的CC2530供电电路必须经过一个线性稳压电路，使其输出电压变为2～3．6 V，电路如图3所示。其中CAT6219—330是一块输出电流最大为500 mA、输出电压为3．3 V的线性稳压器件，EN端为输入使能端，高电平时输入有效。为了提高瞬态响应，在5脚加一个2．2μF的旁路电容，为了提高电压抑制比和减少输出电压的噪声，在4脚处接一个0．01μF的旁路电容。

2．3 电磁阀驱动电路
    由于CC2530的驱动电路很小，不能驱动电磁阀里面的电机，使电磁阀关断，所以必须在CC2530的I／O和电机之间加上驱动电路来驱动电机，其电路图如图4所示。

    J2接电磁阀的输入端，L7010为电机驱动模块，其工作电压最低可以达到1．8 V，持续驱动电流达1 A，尖峰工作电流可以达到2 A，并且可以方便地控制电机的正反转，其中VM为电机电源，VCC为芯片电源。

3 系统软件设计
3．1 系统控制协议设计
3．1．1 上位机向下位机发送控制消息
    由于上位机发送指令时，是通过手机短信发送出去的，并且由于垃圾短信的存在，终端难免会收到一些和控制无关的指令，因此当解析短信中的控制指令时，必然会使一些短信无法解析或者解析出错误的控制信息。不能解析出控制指令会使程序出现运行错误，使整个系统瘫痪；而解析出错误的控制指令将使电磁阀出现误动作，影响控制效果。因此，为了保证系统的安全性和健壮性，必须设计相应的协议。为了区分控制信息和非控制信息，必须有一个标志来加以区分，本文采用一个字节表示消息类型。每一个节点有4个电磁阀，所以采用一个字节可以描述一个电磁阀的控制信息。为了减少终端的控制和命令解析的难度，将此字节的剩下4位作为每一个电磁阀有无控制信息的标志。如果每一个节点都单独发送一条控制短信，必然会加重系统的负担，使电能消耗增加，所以本系统将所有节点的控制组合在一条短信中发送出去。其消息结构如下所示。

    消息类型域，其长度为1个字节。应用中设置成表1消息类型域，其长度为1个字节。应用中设置成表1中的某值。

    控制消息域，其长度根据具体农田里的终端个数决定，一个终端采用一个字节，其中每两位为一个电磁阀的控制信息，应用中应设置成表2所列的值。

3．1．2 下位机向上位机发送数据消息
    上位机向下位机发送控制指令后，下位机将会向上位机发送相应的回复信息，以告诉上位机下位机对所发送指令的执行情况，这种信息包括两类：第一类是上位机发送完控制指令后，下位机收到指令的一个确认状态回复，其消息类型值见表1；第二类消息是下位机对上位机发送的控制指令执行后的电磁阀信息，电磁阀的状态信息格式如下。

    其消息类型见表1。字节2以后的字节表示电池阀的状态，每一个字节表示一个终端节点，其中低4位为电磁阀状态。由于ZigBee协调器节点可能没有收到终端采集到的电磁阀状态数据，所以用第4位来表示低4位是否为电磁阀状态，1为是，0为不是。

3．1．3 ZigBee网络通信协议设计
    (1)ZigBee协调器消息处理
    ZigBee协调器通过UART接口从短信模块中读取短信的内容后，将其保存在ZigBee协调器中，等待ZigBee终端醒来后发送询问消息。如果询问后ZigBee协调器保留了控制消息，那么ZigBee协调器将保存的控制指令以广播的形式发送出去，如果终端询问过后ZigBee协调器没有控制指令，那么ZigBee协调器将发送无控制消息到ZigBee终端。
    ZigBee协调器发送数据后等待ZigBee终端回复确认信息，其信息格式如下。

    其消息类型域取值见表1。协调器收到ZigBee终端的回复消息后，将该节点号所对应的字节的控制消息全部位置0，使下次广播控制指令后，该终端节点不会采取相应动作。
    当ZigBee协调器发送完控制消息后，等待接收终端电磁阀的状态，ZigBee协调器收到所有ZigBee终端的电磁阀状态信息或者等待时间超时后，向上位机发送已接收到的电磁阀信息。
    ZigBee协调器的消息处理流程如图5所示。

    (2)ZigBee终端消息处理
    由于ZigBee终端是完全由电池供电，所以ZigBee终端必须定时睡眠来节约能量，使终端工作时间可以尽可能地长。因此，ZigBee协调器收到控制信息后不可能直接发送给终端，必须先存储，ZigBee终端为了获得控制消息，在醒来后必须向协调器发送询问消息，使ZigBee协调器发送控制消息。
    ZigBee终端收到ZigBee协调器发送来的控制指令后，向ZigBee协调器发送确认消息，使ZigBee协调器更改相应的节点状态，避免重复发送控制指令到ZigBee终端，增加ZigBee终端的负担。
    ZigBee终端收到控制信息后，获取本节点的控制信息，判断是否有控制信息。如果有控制信息，为了使ZigBee终端的电磁阀中的电机不出现卡死的现象，ZigBee终端必须判断当前的控制状态是否和电磁阀当前的状态相同。如果相同，则对电磁阀不采取任何控制动作；如果不同，则根据控制信息对电磁阀采取相应的控制。对控制信息进行判断后，为了使电磁阀对控制信息有充分的反应时间，延时1 s采集电磁阀的控制信息，然后将其传送到ZigBee协调器，其处理流程图6所示。

    回复到ZigBee协调器的电磁阀的状态信息的消息格式如下。

    其中消息类型域的值见表2。电磁阀状态域低4位存放电磁阀的状态，每一位存放一个电磁阀的状态。
3．2 低功耗与同步设计
    由于ZigBee终端节点是采用电池供电，所以ZigBee终端节点必须定时地休眠和唤醒以节约能量，使电池的供电时间更长。如果本系统的ZigBee网络采用网状结构和树状结构，那么路由器节点必须在非路由器节点之前醒来，这样必然会增加系统的控制难度，最糟糕的情况下可
能会使整个系统无法控制，并且可能使终端节点不定期的掉线。所以本系统采用星型网络，终端节点直接和协调器节点交互信息。
3．2．1 ZigBee节点同步
    ZigBee节点之间的误差主要是传输延时和节点之间的时钟误差。
    (1)节点时钟误差测量
    ZigBee协调器节点先发送广播数据包，其中带有协调器节点下一次发送数据包的时间T1。节点收到数据包后，启动定时器等待接收Zig Bee协调器下次发送数据，当ZigBee终端节点收到下一次同步数据后，读取定时器的时间为T2，所以时钟偏移误差为：a=(T2-T1)／T1。
    (2)延时误差
    ZigBee终端节点向ZigBee协调器节点发送同步信息，ZigBee协调器收到同步信息后回复一个同步信息到ZigBee终端，ZigBee终端收到此回复信息的时间为T3。假设传输的延时一样，为T4，则T4=(1+a)×T3／2。
3．2．2 ZigBee终端节点睡眠
    当ZigBee协调器接收到所有节点的状态回复后，广播一个睡眠消息到ZigBee终端，消息中加入睡眠的时间T5，ZigBee终端收到此时间后，开始睡眠，其睡眠时间为T5-T4-a×(T5-T4)。节点醒来后，再延时1 s发送询问消息到协调器，获得控制消息。

结语
    本系统经过现场调试，能够对上位机发送的控制指令进行准确的控制。节点定时地睡眠和苏醒，能够有效地节约电量，两节干电池能够工作6个月到两年，为系统在农田这种无电源供电场合提供保障。采用同步算法和一些辅助措施，使系统能够在同一时间苏醒、同一时间睡眠，ZigBee终端节点同一时间接收到ZigBee协调器广播控制指令数据包的概率在90％以上，更加节约能源。