ZigBee的遠(yuǎn)程低功耗灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一套基于ZigBee和GSM遠(yuǎn)程無(wú)線控制系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)田里的滴灌系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。設(shè)計(jì)了上位機(jī)和農(nóng)田中的ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器與ZigBee終端傳輸消息來(lái)對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行安全有效的控制。采用適合于ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法，滿(mǎn)足ZigBee節(jié)點(diǎn)的同步休眠與喚醒的需要。設(shè)計(jì)相應(yīng)的電磁閥控制策略對(duì)電磁閥進(jìn)行安全有效的控制。
關(guān)鍵詞：ZigBee；時(shí)間同步；休眠；無(wú)線遙控灌溉控制；低功耗

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(luò)進(jìn)行信息的傳輸，不用在農(nóng)田中布置通信線路；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸采用GSM網(wǎng)絡(luò)，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(wú)線自組網(wǎng)單片機(jī)，采用兩節(jié)干電池供電，節(jié)約對(duì)能源的消耗。農(nóng)田中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)地采集灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制灌溉，極大地節(jié)省了勞動(dòng)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(jì)
    農(nóng)田種植面積大，地塊分散，這就決定了采集系統(tǒng)應(yīng)具有如下兩個(gè)主要特點(diǎn)：一是系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)多；二是系統(tǒng)是一個(gè)覆蓋面很廣的通信網(wǎng)絡(luò)(采集點(diǎn)具有分散性)。基于上述特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)交互的終端)。基于上述分析本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)和GSM技實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組件和數(shù)據(jù)的傳輸。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    遠(yuǎn)程的監(jiān)控管理中心通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的控制。首先監(jiān)控管理中心的計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232接口向GSM無(wú)線通信設(shè)備PTM100發(fā)送AT命令，PTM100以短消息形式通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的終端發(fā)送控制命令，控制電磁閥的關(guān)斷，Zig Bee終端采集電磁閥的狀態(tài)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，再通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)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(jì)
    根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，系統(tǒng)的硬件電路分為太陽(yáng)能充電電路、CC2530供電電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路。
2．1 太陽(yáng)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(yáng)能電池板供給電池充電。其充電電路如2所示。

    太陽(yáng)能電池板接在J1處，CN3082是一塊太陽(yáng)能充電管理芯片。當(dāng)輸入電壓大于電源低電壓檢測(cè)閾值時(shí)，CN3082開(kāi)始對(duì)電池充電，在預(yù)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(jìn)行。如果電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓低于1．54 V，充電器處于預(yù)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1．54 V且小于2．445 V時(shí)，充電器采用恒流模式對(duì)電池充電，充電電流由電阻R1確定。當(dāng)電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓大于2．445 V時(shí)，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(dāng)電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓下降到1．65 V時(shí)，CN3082將開(kāi)始新的充電周期，進(jìn)入預(yù)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2～3．6 V，而充電電池的輸出電壓為3．7 V，因此用充電電池供電的CC2530供電電路必須經(jīng)過(guò)一個(gè)線性穩(wěn)壓電路，使其輸出電壓變?yōu)?～3．6 V，電路如圖3所示。其中CAT6219—330是一塊輸出電流最大為500 mA、輸出電壓為3．3 V的線性穩(wěn)壓器件，EN端為輸入使能端，高電平時(shí)輸入有效。為了提高瞬態(tài)響應(yīng)，在5腳加一個(gè)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(gè)0．01μF的旁路電容。

2．3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路
    由于CC2530的驅(qū)動(dòng)電路很小，不能驅(qū)動(dòng)電磁閥里面的電機(jī)，使電磁閥關(guān)斷，所以必須在CC2530的I／O和電機(jī)之間加上驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其電路圖如圖4所示。

    J2接電磁閥的輸入端，L7010為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其工作電壓最低可以達(dá)到1．8 V，持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)1 A，尖峰工作電流可以達(dá)到2 A，并且可以方便地控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，其中VM為電機(jī)電源，VCC為芯片電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)控制協(xié)議設(shè)計(jì)
3．1．1 上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送控制消息
    由于上位機(jī)發(fā)送指令時(shí)，是通過(guò)手機(jī)短信發(fā)送出去的，并且由于垃圾短信的存在，終端難免會(huì)收到一些和控制無(wú)關(guān)的指令，因此當(dāng)解析短信中的控制指令時(shí)，必然會(huì)使一些短信無(wú)法解析或者解析出錯(cuò)誤的控制信息。不能解析出控制指令會(huì)使程序出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤，使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓；而解析出錯(cuò)誤的控制指令將使電磁閥出現(xiàn)誤動(dòng)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(jì)相應(yīng)的協(xié)議。為了區(qū)分控制信息和非控制信息，必須有一個(gè)標(biāo)志來(lái)加以區(qū)分，本文采用一個(gè)字節(jié)表示消息類(lèi)型。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有4個(gè)電磁閥，所以采用一個(gè)字節(jié)可以描述一個(gè)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(gè)電磁閥有無(wú)控制信息的標(biāo)志。如果每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都單獨(dú)發(fā)送一條控制短信，必然會(huì)加重系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使電能消耗增加，所以本系統(tǒng)將所有節(jié)點(diǎn)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。

    消息類(lèi)型域，其長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)。應(yīng)用中設(shè)置成表1消息類(lèi)型域，其長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)。應(yīng)用中設(shè)置成表1中的某值。

    控制消息域，其長(zhǎng)度根據(jù)具體農(nóng)田里的終端個(gè)數(shù)決定，一個(gè)終端采用一個(gè)字節(jié)，其中每?jī)晌粸橐粋€(gè)電磁閥的控制信息，應(yīng)用中應(yīng)設(shè)置成表2所列的值。

3．1．2 下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)消息
    上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送控制指令后，下位機(jī)將會(huì)向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的回復(fù)信息，以告訴上位機(jī)下位機(jī)對(duì)所發(fā)送指令的執(zhí)行情況，這種信息包括兩類(lèi)：第一類(lèi)是上位機(jī)發(fā)送完控制指令后，下位機(jī)收到指令的一個(gè)確認(rèn)狀態(tài)回復(fù)，其消息類(lèi)型值見(jiàn)表1；第二類(lèi)消息是下位機(jī)對(duì)上位機(jī)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。

    其消息類(lèi)型見(jiàn)表1。字節(jié)2以后的字節(jié)表示電池閥的狀態(tài)，每一個(gè)字節(jié)表示一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，其中低4位為電磁閥狀態(tài)。由于ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可能沒(méi)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(lái)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(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)
    (1)ZigBee協(xié)調(diào)器消息處理
    ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)UART接口從短信模塊中讀取短信的內(nèi)容后，將其保存在ZigBee協(xié)調(diào)器中，等待ZigBee終端醒來(lái)后發(fā)送詢(xún)問(wèn)消息。如果詢(xún)問(wèn)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(xún)問(wèn)過(guò)后ZigBee協(xié)調(diào)器沒(méi)有控制指令，那么ZigBee協(xié)調(diào)器將發(fā)送無(wú)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(fù)確認(rèn)信息，其信息格式如下。

    其消息類(lèi)型域取值見(jiàn)表1。協(xié)調(diào)器收到ZigBee終端的回復(fù)消息后，將該節(jié)點(diǎn)號(hào)所對(duì)應(yīng)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(diǎn)不會(huì)采取相應(yīng)動(dòng)作。
    當(dāng)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(shí)間超時(shí)后，向上位機(jī)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。

    (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(shí)睡眠來(lái)節(jié)約能量，使終端工作時(shí)間可以盡可能地長(zhǎng)。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(chǔ)，ZigBee終端為了獲得控制消息，在醒來(lái)后必須向協(xié)調(diào)器發(fā)送詢(xún)問(wèn)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(lái)的控制指令后，向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送確認(rèn)消息，使ZigBee協(xié)調(diào)器更改相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，避免重復(fù)發(fā)送控制指令到ZigBee終端，增加ZigBee終端的負(fù)擔(dān)。
    ZigBee終端收到控制信息后，獲取本節(jié)點(diǎn)的控制信息，判斷是否有控制信息。如果有控制信息，為了使ZigBee終端的電磁閥中的電機(jī)不出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，ZigBee終端必須判斷當(dāng)前的控制狀態(tài)是否和電磁閥當(dāng)前的狀態(tài)相同。如果相同，則對(duì)電磁閥不采取任何控制動(dòng)作；如果不同，則根據(jù)控制信息對(duì)電磁閥采取相應(yīng)的控制。對(duì)控制信息進(jìn)行判斷后，為了使電磁閥對(duì)控制信息有充分的反應(yīng)時(shí)間，延時(shí)1 s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。

    回復(fù)到ZigBee協(xié)調(diào)器的電磁閥的狀態(tài)信息的消息格式如下。

    其中消息類(lèi)型域的值見(jiàn)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(gè)電磁閥的狀態(tài)。
3．2 低功耗與同步設(shè)計(jì)
    由于ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是采用電池供電，所以ZigBee終端節(jié)點(diǎn)必須定時(shí)地休眠和喚醒以節(jié)約能量，使電池的供電時(shí)間更長(zhǎng)。如果本系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，那么路由器節(jié)點(diǎn)必須在非路由器節(jié)點(diǎn)之前醒來(lái)，這樣必然會(huì)增加系統(tǒng)的控制難度，最糟糕的情況下可
能會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法控制，并且可能使終端節(jié)點(diǎn)不定期的掉線。所以本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)直接和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)交互信息。
3．2．1 ZigBee節(jié)點(diǎn)同步
    ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的誤差主要是傳輸延時(shí)和節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘誤差。
    (1)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘誤差測(cè)量
    ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)先發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，其中帶有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)下一次發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間T1。節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，啟動(dòng)定時(shí)器等待接收Z(yǔ)ig Bee協(xié)調(diào)器下次發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)收到下一次同步數(shù)據(jù)后，讀取定時(shí)器的時(shí)間為T(mén)2，所以時(shí)鐘偏移誤差為：a=(T2-T1)／T1。
    (2)延時(shí)誤差
    ZigBee終端節(jié)點(diǎn)向ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信息，ZigBee協(xié)調(diào)器收到同步信息后回復(fù)一個(gè)同步信息到ZigBee終端，ZigBee終端收到此回復(fù)信息的時(shí)間為T(mén)3。假設(shè)傳輸?shù)难訒r(shí)一樣，為T(mén)4，則T4=(1+a)×T3／2。
3．2．2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)睡眠
    當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器接收到所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)回復(fù)后，廣播一個(gè)睡眠消息到ZigBee終端，消息中加入睡眠的時(shí)間T5，ZigBee終端收到此時(shí)間后，開(kāi)始睡眠，其睡眠時(shí)間為T(mén)5-T4-a×(T5-T4)。節(jié)點(diǎn)醒來(lái)后，再延時(shí)1 s發(fā)送詢(xún)問(wèn)消息到協(xié)調(diào)器，獲得控制消息。

結(jié)語(yǔ)
    本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，能夠?qū)ι衔粰C(jī)發(fā)送的控制指令進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。節(jié)點(diǎn)定時(shí)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(gè)月到兩年，為系統(tǒng)在農(nóng)田這種無(wú)電源供電場(chǎng)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(shí)間蘇醒、同一時(shí)間睡眠，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)同一時(shí)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。