基于ZigBee的智能化草坪自動(dòng)噴水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 智

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

綠化灑水是綠化養(yǎng)護(hù)不可缺少的一部分。本文提出的設(shè)計(jì)方案主要是關(guān)于灑水控制與監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的灌溉與監(jiān)測(cè)形式上是一樣的，分為兩種：一是人工，二是通過有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于例如高爾夫球場(chǎng)、大型公園等這些大型場(chǎng)所，前者耗費(fèi)人力，后者布線復(fù)雜、維護(hù)麻繁[1]。本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的智能化草坪自動(dòng)噴水系統(tǒng)，解決了以上問題。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用了基于ZigBee的WSN技術(shù)，借鑒了國(guó)內(nèi)外ZigBee技術(shù)應(yīng)用研究經(jīng)驗(yàn)[2]，設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)，其中 E1、E2、E3、E4分別代表路由采集節(jié)點(diǎn)，R1、R2代表路由節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)基站三部分組成。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和子節(jié)點(diǎn)管理，可擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)周期性地向協(xié)調(diào)器反饋土壤濕度信息與工作狀態(tài)，或者按接收到的命令實(shí)時(shí)反饋濕度信息。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，收集采集節(jié)點(diǎn)的土壤濕度信息和工作狀態(tài)，通過UART、USB等方式傳到與之相連的監(jiān)測(cè)基站和提供語(yǔ)音提示服務(wù)。監(jiān)測(cè)基站的軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中[3]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)硬件節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其中路由節(jié)點(diǎn)的功能與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)相仿，只需要將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的相關(guān)傳感器去掉即可。軟件實(shí)現(xiàn)也與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)類似。下面主要講述數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

2.1.1 硬件組成

圖2 采集節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成如圖2所示，其中土壤濕度采集模塊采用電壓型PH-TS土壤濕度傳感器。該模塊的工作電壓為5～12 V，采用升壓模塊LM2577供電，測(cè)量參數(shù)為土壤容積含水量，單位為%（m3/m3），具有響應(yīng)快、穩(wěn)定快、精度高的特點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)使用CC2430作為主控芯片，其中，升壓模塊由3 V電壓源供電，與開關(guān)電路搭配使用，CC2430輸出控制信號(hào)給開關(guān)電路，當(dāng)CC2430不處于采樣狀態(tài)時(shí)，升壓模塊與電源模塊之間斷開，減少功耗。

2.1.2 軟件設(shè)計(jì)

由于采集節(jié)點(diǎn)的供電源是電池，為了延長(zhǎng)工作壽命，軟件按功能劃分主要有：通信協(xié)議模塊、采集控制模塊、功耗管理模塊。采集控制模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和噴水的控制，流程如圖3所示，其中噴水控制閾值分為上限和下限閾值。功耗模塊管理節(jié)點(diǎn)的電源模式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)工作完畢后，便進(jìn)入休眠模式。整體流程如圖4所示。

圖4 采集節(jié)點(diǎn)工作流程

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器可以通過串口與上位機(jī)通信，如圖5所示，包括CC2430芯片、UART接口、USB接口、YS07型語(yǔ)音模塊。語(yǔ)音模塊提供語(yǔ)音提示功能。接口模塊用于與上位機(jī)通信，設(shè)計(jì)了USB與UART兩種接口，使系統(tǒng)具有擴(kuò)展性[4-5]。

圖5 協(xié)調(diào)器

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件實(shí)現(xiàn)按功能劃分模塊包括：網(wǎng)絡(luò)建立模塊、節(jié)點(diǎn)管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、語(yǔ)音提示模塊、上位機(jī)通信模塊，具體流程如圖6所示。首先，協(xié)調(diào)器開始建立網(wǎng)絡(luò)，使用Z-STACK2004協(xié)議棧，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，尋找可利用信道，建立網(wǎng)絡(luò)；接著，進(jìn)行參數(shù)的初始化，其中包括IO初始化、RAM初始化和工作節(jié)點(diǎn)表初始化等；然后，協(xié)調(diào)器便進(jìn)入一個(gè)正常的工作輪詢循環(huán)中。詢問是否有節(jié)點(diǎn)管理事件發(fā)生，如果有新節(jié)點(diǎn)加入，則初始化各項(xiàng)參數(shù)，然后將它加入工作列表；如果是個(gè)舊節(jié)點(diǎn)，則從Flash中讀取它過去的參數(shù)，然后加入工作列表；如果有節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)，則將它的數(shù)據(jù)移入Flash的休息列表中，然后將它從工作列表中移除；如果要修改節(jié)點(diǎn)的參數(shù)值，便從工作列表中找出該節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行參數(shù)修改，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包通知該節(jié)點(diǎn)修改參數(shù)。沒有事件處理了，便詢問數(shù)據(jù)采集事件。如果需要廣播采集，便發(fā)送廣播幀給所有終端節(jié)點(diǎn)；如果是單播采集，便單獨(dú)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，通知它采集數(shù)據(jù)；如果有接收到數(shù)據(jù)包，則將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和更新。沒有事件處理了，便進(jìn)行下一步，詢問語(yǔ)音提示，如果有事件要處理，就執(zhí)行語(yǔ)音提示服務(wù)，語(yǔ)音服務(wù)主要有節(jié)點(diǎn)加入提示、節(jié)點(diǎn)電池更換提示。接著詢問是否有上位機(jī)通信事件發(fā)生，這里主要完成將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)和解析從上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)沒有事件需要處理了，便進(jìn)入下個(gè)輪詢循環(huán)。

圖6 協(xié)調(diào)器工作流程

圖7 上位機(jī)軟件界面

2.3 上位機(jī)軟件界面

協(xié)調(diào)器可通過串口與上位機(jī)連接，將收集的節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)，在上位機(jī)的軟件界面顯示并且可隨時(shí)將所測(cè)量值以文本格式進(jìn)行存儲(chǔ)以便后期跟蹤記錄、查詢等。上位機(jī)軟件界面如圖7所示。

本文設(shè)計(jì)了一種低功耗的智能化自動(dòng)噴水系統(tǒng)。管理者從串口軟件界面上可以了解到各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的情況，并且可以通過串口軟件提供的操作功能來管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。另外，協(xié)調(diào)器帶有語(yǔ)音提示功能，可進(jìn)一步幫助管理者有效管理網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，該系統(tǒng)的功能還有很大的擴(kuò)展空間，如PH值檢測(cè)、溫度檢測(cè)、檢測(cè)故障等功能，比較適合于綠化管理數(shù)字化建設(shè)的需求，具有較好的市場(chǎng)前景。

[1]包長(zhǎng)春，石瑞珍，馬玉泉，等.基于 ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)設(shè)施測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（8）：160-164.

[2]朱麗，吳華瑞，李輝.基于 ZigBee技術(shù)的農(nóng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究[J].高技術(shù)通訊，2011，21（6）：581-586.

[3]高強(qiáng)，陳明.基于ZigBee協(xié)議的溫室無(wú)線控制傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[J].機(jī)床與液壓，2008，36（7）：199-203.

[4]SUNG T W，YANG C S.An adaptive joining mechanism for improving the connection ratio of ZigBee wireless sensor networks[J].International Journal of Communication Systems，2010，23(2)：32-37.

[5]YEN L H，YSAI W T.The room shortage problem of treebased ZigBee/IEEE 802.15.4 wireless networks[J].Computer Communications，2010，32(4)：44-46.