ZigBee的遠程低功耗灌溉控制系統設計

吳祥，康戈文

（電子科技大學 航空航天學院，成都 610000）

引 言

本系統在傳統的滴水灌溉系統基礎上，在農田中采用ZigBee自組網網絡進行信息的傳輸，不用在農田中布置通信線路；遠程數據的傳輸采用GSM網絡，不需要額外地布置通信設備，減少了農田灌溉的成本，增加了系統的安全性。系統采用具有低功耗特性的ZigBee無線自組網單片機，采用兩節干電池供電，節約對能源的消耗。農田中的無線傳感網絡可以實時地采集灌溉系統的運行狀況，將其傳輸到遠程的監控系統，工作人員實時遠程控制灌溉，極大地節省了勞動力，提高了工作效率，增加了農民的收入。

1 系統總體設計

農田種植面積大，地塊分散，這就決定了采集系統應具有如下兩個主要特點：一是系統控制節點多；二是系統是一個覆蓋面很廣的通信網絡（采集點具有分散性）。基于上述特點，系統設計為分布式體系結構，主要包含農田監控終端和監控管理中心兩個模塊，而農田監控終端由于功能的不同又分為ZigBee終端和ZigBee協調器（與上位機交互的終端）。基于上述分析本系統采用ZigBee技術和GSM技實現系統網絡的組件和數據的傳輸。其系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

遠程的監控管理中心通過GSM網絡發送控制指令到農田中的ZigBee協調器，ZigBee協調器收到控制指令后，將其轉發到ZigBee終端，以實現對灌溉系統的控制。首先監控管理中心的計算機通過RS232接口向GSM無線通信設備PTM100發送AT命令，PTM100以短消息形式通過GSM網絡把控制命令發送到農田ZigBee協調器，ZigBee協調器根據監控管理中心發送的控制命令，向相應的終端發送控制命令，控制電磁閥的關斷，ZigBee終端采集電磁閥的狀態通過無線網絡傳輸到ZigBee協調器，再通過GSM網絡將電磁閥的狀態傳輸到數據終端。

2 系統硬件設計

根據系統功能的要求，系統的硬件電路分為太陽能充電電路、CC2530供電電路、電磁閥驅動電路。

2.1 太陽能充電電路

由于ZigBee協調器不能睡眠而且加入了GSM模塊，ZigBee協調器耗電量比較大，因此ZigBee協調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。

圖2 太陽能充電電路

太陽能電池板接在J1處，CN3082是一塊太陽能充電管理芯片。當輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值時，CN3082開始對電池充電，在預充電狀態和恒流充電狀態，引腳輸出低電平，表示充電正在進行。如果電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓低于1.54V，充電器處于預充電狀態，充電電流為所設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1.54V且小于2.445V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。當電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓大于2.445V時，CN3082處于維持充電狀態，維持充電電流由輸入電壓VIN、R2和R1決定。在維持充電狀態，當電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓下降到1.65V時，CN3082將開始新的充電周期，進入預充電狀態或者恒流充電狀態。

2.2 CC2530供電電路

由于CC2530的供電電壓為2～3.6V，而充電電池的輸出電壓為3.7V，因此用充電電池供電的CC2530供電電路必須經過一個線性穩壓電路，使其輸出電壓變為2～3.6V，電路如圖3所示。其中CAT6219－330是一塊輸出電流最大為500mA、輸出電壓為3.3V的線性穩壓器件，EN端為輸入使能端，高電平時輸入有效。為了提高瞬態響應，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。

圖3 CC2530供電電路

2.3 電磁閥驅動電路

由于CC2530的驅動電路很小，不能驅動電磁閥里面的電機，使電磁閥關斷，所以必須在CC2530的I／O和電機之間加上驅動電路來驅動電機，其電路圖如圖4所示。

圖4 電磁閥驅動電路

J2接電磁閥的輸入端，L7010為電機驅動模塊，其工作電壓最低可以達到1.8V，持續驅動電流達1A，尖峰工作電流可以達到2A，并且可以方便地控制電機的正反轉，其中VM為電機電源，VCC為芯片電源。

3 系統軟件設計

3.1 系統控制協議設計

3.1.1 上位機向下位機發送控制消息

由于上位機發送指令時，是通過手機短信發送出去的，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的指令，因此當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運行錯誤，使整個系統癱瘓；而解析出錯誤的控制指令將使電磁閥出現誤動作，影響控制效果。因此，為了保證系統的安全性和健壯性，必須設計相應的協議。為了區分控制信息和非控制信息，必須有一個標志來加以區分，本文采用一個字節表示消息類型。每一個節點有4個電磁閥，所以采用一個字節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，將此字節的剩下4位作為每一個電磁閥有無控制信息的標志。如果每一個節點都單獨發送一條控制短信，必然會加重系統的負擔，使電能消耗增加，所以本系統將所有節點的控制組合在一條短信中發送出去。其消息結構如下所示。

字節1 字節2～字節n消息類型 各個節點的控制信息

消息類型域，其長度為1個字節。應用中設置成表1消息類型域，其長度為1個字節。應用中設置成表1中的某值。

表1 消息類型域的值

控制消息域，其長度根據具體農田里的終端個數決定，一個終端采用一個字節，其中每兩位為一個電磁閥的控制信息，應用中應設置成表2所列的值。

表2 電磁閥的控制信息值

3.1.2 下位機向上位機發送數據消息

上位機向下位機發送控制指令后，下位機將會向上位機發送相應的回復信息，以告訴上位機下位機對所發送指令的執行情況，這種信息包括兩類：第一類是上位機發送完控制指令后，下位機收到指令的一個確認狀態回復，其消息類型值見表1；第二類消息是下位機對上位機發送的控制指令執行后的電磁閥信息，電磁閥的狀態信息格式如下。

字節1 字節2消息類型 位0～3 位4電池閥狀態 是否為電磁閥狀態信息

其消息類型見表1。字節2以后的字節表示電池閥的狀態，每一個字節表示一個終端節點，其中低4位為電磁閥狀態。由于ZigBee協調器節點可能沒有收到終端采集到的電磁閥狀態數據，所以用第4位來表示低4位是否為電磁閥狀態，1為是，0為不是。

3.1.3 ZigBee網絡通信協議設計

（1）ZigBee協調器消息處理

ZigBee協調器通過UART接口從短信模塊中讀取短信的內容后，將其保存在ZiBee協調器中，等待ZiBee終端醒來后發送詢問消息。如果詢問后ZigBee協調器保留了控制消息，那么ZigBee協調器將保存的控制指令以廣播的形式發送出去，如果終端詢問過后ZigBee協調器沒有控制指令，那么ZigBee協調器將發送無控制消息到ZigBee終端。

ZigBee協調器發送數據后等待ZigBee終端回復確認信息，其信息格式如下。

字節1 字節2消息類型 終端編號

其消息類型域取值見表1。協調器收到ZigBee終端的回復消息后，將該節點號所對應的字節的控制消息全部位置0，使下次廣播控制指令后，該終端節點不會采取相應動作。

當ZigBee協調器發送完控制消息后，等待接收終端電磁閥的狀態，ZigBee協調器收到所有ZigBee終端的電磁閥狀態信息或者等待時間超時后，向上位機發送已接收到的電磁閥信息。

ZigBee協調器的消息處理流程如圖5所示。

圖5 ZigBee協調器的消息處理流程圖

（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約能量，使終端工作時間可以盡可能地長。因此，ZigBee協調器收到控制信息后不可能直接發送給終端，必須先存儲，ZigBee終端為了獲得控制消息，在醒來后必須向協調器發送詢問消息，使ZigBee協調器發送控制消息。

ZigBee終端收到ZigBee協調器發送來的控制指令后，向ZigBee協調器發送確認消息，使ZigBee協調器更改相應的節點狀態，避免重復發送控制指令到ZigBee終端，增加ZigBee終端的負擔。

ZigBee終端收到控制信息后，獲取本節點的控制信息，判斷是否有控制信息。如果有控制信息，為了使Zig－Bee終端的電磁閥中的電機不出現卡死的現象，ZigBee終端必須判斷當前的控制狀態是否和電磁閥當前的狀態相同。如果相同，則對電磁閥不采取任何控制動作；如果不同，則根據控制信息對電磁閥采取相應的控制。對控制信息進行判斷后，為了使電磁閥對控制信息有充分的反應時間，延時1s采集電磁閥的控制信息，然后將其傳送到ZigBee協調器，其處理流程圖6所示。回復到ZigBee協調器的電磁閥的狀態信息的消息格式如下。

圖6 ZigBee終端的消息處理流程圖

字節1 字節2 字節3消息類型 節點編號 電磁閥狀態

其中消息類型域的值見表2。電磁閥狀態域低4位存放電磁閥的狀態，每一位存放一個電磁閥的狀態。

3.2 低功耗與同步設計

由于ZigBee終端節點是采用電池供電，所以ZigBee終端節點必須定時地休眠和喚醒以節約能量，使電池的供電時間更長。如果本系統的ZigBee網絡采用網狀結構和樹狀結構，那么路由器節點必須在非路由器節點之前醒來，這樣必然會增加系統的控制難度，最糟糕的情況下可能會使整個系統無法控制，并且可能使終端節點不定期的掉線。所以本系統采用星型網絡，終端節點直接和協調器節點交互信息。

3.2.1 ZigBee節點同步

ZigBee節點之間的誤差主要是傳輸延時和節點之間的時鐘誤差。

（1）節點時鐘誤差測量

ZigBee協調器節點先發送廣播數據包，其中帶有協調器節點下一次發送數據包的時間T1。節點收到數據包后，啟動定時器等待接收ZigBee協調器下次發送數據，當ZigBee終端節點收到下一次同步數據后，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終端節點向ZigBee協調器節點發送同步信息，ZigBee協調器收到同步信息后回復一個同步信息到ZigBee終端，ZigBee終端收到此回復信息的時間為T3。假設傳輸的延時一樣，為T4，則T4＝（1＋a）×T3／2。

3.2.2 ZigBee終端節點睡眠

當ZigBee協調器接收到所有節點的狀態回復后，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）。節點醒來后，再延時1s發送詢問消息到協調器，獲得控制消息。

結 語

本系統經過現場調試，能夠對上位機發送的控制指令進行準確的控制。節點定時地睡眠和蘇醒，能夠有效地節約電量，兩節干電池能夠工作6個月到兩年，為系統在農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，使系統能夠在同一時間蘇醒、同一時間睡眠，ZigBee終端節點同一時間接收到ZigBee協調器廣播控制指令數據包的概率在90%以上，更加節約能源。

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