ZigBee的遠(yuǎn)程低功耗灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計一套基于ZigBee和GSM遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)，對農(nóng)田里的滴灌系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。設(shè)計了上位機(jī)和農(nóng)田中的ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器與ZigBee終端傳輸消息來對灌溉系統(tǒng)進(jìn)行安全有效的控制。采用適合于ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法，滿足ZigBee節(jié)點的同步休眠與喚醒的需要。設(shè)計相應(yīng)的電磁閥控制策略對電磁閥進(jìn)行安全有效的控制。
關(guān)鍵詞：ZigBee；時間同步；休眠；無線遙控灌溉控制；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無線自組網(wǎng)單片機(jī)，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(luò)可以實時地采集灌溉系統(tǒng)的運行狀況，將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員實時遠(yuǎn)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(yīng)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(luò)(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(jī)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(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，以實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的控制。首先監(jiān)控管理中心的計算機(jī)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(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)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，再通過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
    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。

    太陽能電池板接在J1處，CN3082是一塊太陽能充電管理芯片。當(dāng)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(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，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(dāng)電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓大于2．445 V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(dāng)電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓下降到1．65 V時，CN3082將開始新的充電周期，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)過一個線性穩(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，高電平時輸入有效。為了提高瞬態(tài)響應(yīng)，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。

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(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)動電路來驅(qū)動電機(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)動模塊，其工作電壓最低可以達(dá)到1．8 V，持續(xù)驅(qū)動電流達(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
3．1 系統(tǒng)控制協(xié)議設(shè)計
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，是通過手機(jī)短信發(fā)送出去的，并且由于垃圾短信的存在，終端難免會收到一些和控制無關(guān)的指令，因此當(dāng)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(yīng)的協(xié)議。為了區(qū)分控制信息和非控制信息，必須有一個標(biāo)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(biāo)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(fù)擔(dān)，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。

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

    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(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(jī)發(fā)送完控制指令后，下位機(jī)收到指令的一個確認(rèn)狀態(tài)回復(fù)，其消息類型值見表1；第二類消息是下位機(jī)對上位機(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(luò)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ZigBee協(xié)調(diào)器中，等待ZigBee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(fù)確認(rèn)信息，其信息格式如下。

    其消息類型域取值見表1。協(xié)調(diào)器收到ZigBee終端的回復(fù)消息后，將該節(jié)點號所對應(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)點不會采取相應(yīng)動作。
    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)信息或者等待時間超時后，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(rèn)消息，使ZigBee協(xié)調(diào)器更改相應(yīng)的節(jié)點狀態(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(yīng)的控制。對控制信息進(jìn)行判斷后，為了使電磁閥對控制信息有充分的反應(yīng)時間，延時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(luò)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(luò)，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Zig Bee協(xié)調(diào)器下次發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)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(fù)一個同步信息到ZigBee終端，ZigBee終端收到此回復(fù)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(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器接收到所有節(jié)點的狀態(tài)回復(fù)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1 s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(jī)發(fā)送的控制指令進(jìn)行準(zhǔn)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。