基于ZigBee技术的节水灌溉系统设计

摘要：为了大范围、低成本实现智能节水灌溉，采用ZigBee无线传感器网络技术，提出了一种利用S3C2440与CC2430作为主控芯片的节水灌溉系统设计方案。系统通过CC2430的串口采集土壤湿度传感器数据，并将数据通过ZigBee无线网络上传给数据处理中心；数据处理中心由CC2430通过串口将接收到的数据传递给S3C2440，同时采用SD卡进行存储，并通过光纤以太网接口将数据进行远端传输。经过SmartRFStudio信号软件和Linux下的Hping指令测试，灌溉系统连续7天无故障运行，完全达到系统设计指标。
关键词：ZigBee；节水灌溉系统；数据处理中心；混合型网络

0 引言
    21世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，推广节水灌溉也已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择。我国智能化节水灌溉才刚刚起步，一个比较关键的技术瓶颈就是如何实现数据通信，有些大型农场通过GPRS模块来实现信息的交互，取得了一定的成效，但是这种系统设计成本与日常维护费用较高，不利于推广。基于这种现状，本文提出一种基于ZigBee无线传感器网络韵设计方案，并根据农田的特殊条件，设计出一套节水灌溉系统，避免了依附于其他通信网络所产生的额外费用。

1 系统平台整体设计方案
    按照功能需求，硬件平台共可分为以下五个部分：数据采集站，传输基站，数据处理中心，远程监测站以及电磁阀控制站。图1为系统的硬件平台结构图。

    系统中各部分的功能与工作流程如下：首先根据农田的管道分布情况，以及ZigBee无线节点的有效通信距离，将灌溉区分割为数块独立的灌溉控制单元，在每个单元中设有一个或数个传输基站和若干分布在农田不同位置的数据采集站，数据采集站通过与其连接的传感器采集土壤湿度参数，并将数据定时传送给传输基站；传输基站负责管理其管辖区域内的各个数据采集站，当数据处理中心询问数据时，传输基站将数据进行第一级融合后以Ad hoc的方式上传给数据处理中心；数据处理中心首先对接收到的数据进行聚类、存储并与其他的参数(如气象信息、水文地理信息、专家系统以及作物的特征信息等)按照一定算法实现第二级融合，做出初步判决，并将判决结果连同部分关键数据通过光纤以太网或者GPRS模块传送给远程监测站，请求经验丰富的工作人员做最后的判决，并将判决信息返回给数据处理中心，数据处理中心根据判决结果向电磁阀控制端发送控制指令；电磁阀控制端根据接收到的控制指令执行灌溉控制，到此，一个完整的系统工作过程结束。

2 系统硬件部分设计
    本系统硬件平台的核心部分为数据处理中心，它负责管理整个ZigBee无线网络，实现整个网络的数据汇集、存储、融合以及数据的远端传输等。
2．1 数据处理中心整体结构
    数据处理中心主要由核心处理器、ZigBee无线通信模块、GPRS接口模块、存储模块以及以太网光纤转换模块等组成。其整体原理图如图2所示。

    数据处理中心的主控制芯片采用的是基于ARM920T架构的S3C2440处理器，该处理器是一款应用于手持移动通讯设备的32 b RISC微处理器。在本系统中，S3C2440主要负责对整个系统内的传感器数据进行汇集、存储、运算并将运算结果转换成TCP／IP协议的光纤信号接入到In-ternet中或者通过串口与GPRS模块通信以实现数据的远端传输。
2．2 ZigBee模块设计
    ZigBee无线通信芯片选用的是TI公司的CC2430F128，它是全球首个真正意义上的系统级ZigBee芯片，其射频收发器工作在2．4 GHz ISM(IndustryScience Medical)频段，采用低电压(2．0～3．6 V)供电，接收发射电流为27 mA，接收信号灵敏度高达-92 dBm、最大发射功率为+O．6 dBm、最大传送速率为250 Kb／s，硬件支持CSMA／CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和RSSI(Received Signal Strength Indicator)功能。由于其属于高频器件，因此本系统将其进行了模块化设计，其原理图如图3所示。

    在射频电路部分使用了一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C2和电感L1，L2，L3以及微波传输线组成，整个结构满足RF输入／输出匹配电阻(50 Ω)的要求。其内部的T／R交换电路完成LNA和PA之间的交换。R221和R261为偏置电阻，电阻R221主要用来为32MHz的晶振提供一个合适的工作电流。32MHz的石英谐振器(X1)和2个电容(C191和C211)构成高速时钟电路。32. 768 kHz的石英晶体(X2)与2个电容(C441和C431)构成低速时钟电路。在模块的外围，采用MAX706S看门狗芯片，在程序出现异常时为其提供可靠复位。同时S3C2440的串口1与CC2430模块的串口0相连，为S3C2440提供了访问ZigBee无线网络数据的接口。
2．3 其他硬件电路设计
    S3C2440在接收到CC2430模块发送来的数据后，需要对其进行分类存储，以备在历史数据查询时使用。本系统采用S3C2440来驱动FLASH存储设备SD卡的读写，S3C2440具有专用的引脚通过SDIO模式来驱动SD卡，使用起来十分方便。GPRS模块的接口设计相对来说比较简单，S3C 2440的串口2通过MAX3232将TTL电平传换成RS 232电平后即可与GPRS模块相连。
    由于农场环境的特殊性，不可能为每个ZigBee节点进行单独供电，因此本系统采用太阳能电池与普通干电池相结合的方式为其提供电源，在太阳能电池电量充足的时候，采用太阳能电池供电，当太阳能电池电量不足或者出现故障时切换到干电池端，利用干电池进行供电。
    由于基于IEEE 802．3标准的以太网在使用双绞线的情况下最多只能传输100 m，网络接入点一般会在距数据处理中心数公里以外的距离，远不能达到设计要求。因此，设计了一种光纤以太网接口，使其能够适应较远距离的传输。本系统采用的方案为，通过S3C2440驱动DM9000-1O／100M自适应网卡芯片，经网络隔离变压器匹配输出，再由隔离变压器匹配输入给IP113A实现以太网光纤信号转换，最后经由光纤收发模块进行光信号传输，其结构图如图4所示。

     数据采集站与传输基站在电路设计上是相同的，只是在软件上有所区别，其电路主要包括ZigBee无线模块、与湿度传感器间通信的串口模块、防止程序出现异常的看门狗模块以及供电模块等。

3 系统软件部分设计
    为了满足大面积覆盖的需求，本系统采用MESH型与星型相结合的混合型网络拓扑结构，即底层采用星型网络，上层采用MESH型网络，两者在管理上是相互独立的。
    在底层，传输基站定时T s，以广播的形式向其管辖区域内的数据采集站发送传输基站数据请求帧；数据采集站收到请求帧后，会将采集到的数据通过采集站数据帧将数据上传给传输基站；传输基站收到数据后，将采集上来的数据进行滤波和数据融合，并对长时间没有响应的数据采集站的ID进行记录；在收到数据处理中心发出的数据中心数据请求帧后，传输基站将处理好的数据上传给数据处理中心。
    数据处理中心与传输基站的数据传输采用的是轮询方式，它会根据需要，在一定的时间内以单点广播的方式，对网络中的传输基站发送数据处理中心数据请求帧，传输基站收到针对自己的数据请求帧后，按照一定的路由方式上传数据。当需要修改数据传输参数时(如定时发送时间间隔)，可通过控制帧进行设定，传输基站收到后会将修改的值发送给数据处理中心进行确认。图5和图6分别表示传输基站模型和网络拓扑结构。

    对于无线通信网络来说，通信协议不仅可以保证网络的可靠通信，还可以大大提高网络的通信效率，节省能耗。由于智能节水灌溉系统所监测的参数具有缓慢变化的特性，因此本系统的通信协议采用“询问-应答”方式，采用这种方式不仅可以避免数据并发所造成的通信阻塞，还可以很好地对应答节点进行有效的监控，及时发现故障节点并进行维修。图7为系统的通信协议框架。
    本系统在顶层采用的是节点分布比较规则的MESH型网络拓扑，其中数据处理中心相当于sink节点，目标传输基站相当于source节点，且节点的位置是已知的。可以将MESH网络分割成若干个簇，每个簇拥有一个簇头节点与sink节点直接相邻，当sink节点广播Interest时，簇头节点根据目标source节点的簇头信息，有选择性地进行广播，这样就可以避免一个Interest在全网段广播造成的能量浪费。

4 系统测试与结论
    经过实际的测试，完全可以满足系统在功能方面的需求，在对ZigBee模块的无线收发与网络传输可靠性的测试中取得了比较理想的结果。
    (1)通过使用TI公司的SmartRFStudio信号测试软件，CC2430在最强发射功率条件下，在室外晴朗的环境下测得收发距离在50 m以上，如图8所示。

    (2)使用Linux下的Hping指令对数据处理中心的网络部分进行测试，连续7天无故障运行，同时在使用Hping-flood，即网络最大数据流量对其进行测试时，仍可正常工作。
    整个系统设计还需要在ARM处理器上进行应用级数据融合算法设计，另外需要对上位机远程监测界面进行设计以及在农田现场进行调试工作。