基于ZigBee技術(shù)的節水灌溉系統設計

數據采集站與傳輸基站在電路設計上是相同的，只是在軟件上有所區別，其電路主要包括ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊、與濕度傳感器間通信的串口模塊、防止程序出現異常的看門(mén)狗模塊以及供電模塊等。

3 系統軟件部分設計
為了滿(mǎn)足大面積覆蓋的需求，本系統采用MESH型與星型相結合的混合型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，即底層采用星型網(wǎng)絡(luò )，上層采用MESH型網(wǎng)絡(luò )，兩者在管理上是相互獨立的。
在底層，傳輸基站定時(shí)T s，以廣播的形式向其管轄區域內的數據采集站發(fā)送傳輸基站數據請求幀；數據采集站收到請求幀后，會(huì )將采集到的數據通過(guò)采集站數據幀將數據上傳給傳輸基站；傳輸基站收到數據后，將采集上來(lái)的數據進(jìn)行濾波和數據融合，并對長(cháng)時(shí)間沒(méi)有響應的數據采集站的ID進(jìn)行記錄；在收到數據處理中心發(fā)出的數據中心數據請求幀后，傳輸基站將處理好的數據上傳給數據處理中心。
數據處理中心與傳輸基站的數據傳輸采用的是輪詢(xún)方式，它會(huì )根據需要，在一定的時(shí)間內以單點(diǎn)廣播的方式，對網(wǎng)絡(luò )中的傳輸基站發(fā)送數據處理中心數據請求幀，傳輸基站收到針對自己的數據請求幀后，按照一定的路由方式上傳數據。當需要修改數據傳輸參數時(shí)(如定時(shí)發(fā)送時(shí)間間隔)，可通過(guò)控制幀進(jìn)行設定，傳輸基站收到后會(huì )將修改的值發(fā)送給數據處理中心進(jìn)行確認。圖5和圖6分別表示傳輸基站模型和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。

對于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，通信協(xié)議不僅可以保證網(wǎng)絡(luò )的可靠通信，還可以大大提高網(wǎng)絡(luò )的通信效率，節省能耗。由于智能節水灌溉系統所監測的參數具有緩慢變化的特性，因此本系統的通信協(xié)議采用“詢(xún)問(wèn)-應答”方式，采用這種方式不僅可以避免數據并發(fā)所造成的通信阻塞，還可以很好地對應答節點(diǎn)進(jìn)行有效的監控，及時(shí)發(fā)現故障節點(diǎn)并進(jìn)行維修。圖7為系統的通信協(xié)議框架。
本系統在頂層采用的是節點(diǎn)分布比較規則的MESH型網(wǎng)絡(luò )拓撲，其中數據處理中心相當于sink節點(diǎn)，目標傳輸基站相當于source節點(diǎn)，且節點(diǎn)的位置是已知的?？梢詫ESH網(wǎng)絡(luò )分割成若干個(gè)簇，每個(gè)簇擁有一個(gè)簇頭節點(diǎn)與sink節點(diǎn)直接相鄰，當sink節點(diǎn)廣播Interest時(shí)，簇頭節點(diǎn)根據目標source節點(diǎn)的簇頭信息，有選擇性地進(jìn)行廣播，這樣就可以避免一個(gè)Interest在全網(wǎng)段廣播造成的能量浪費。

4 系統測試與結論
經(jīng)過(guò)實(shí)際的測試，完全可以滿(mǎn)足系統在功能方面的需求，在對ZigBee模塊的無(wú)線(xiàn)收發(fā)與網(wǎng)絡(luò )傳輸可靠性的測試中取得了比較理想的結果。
(1)通過(guò)使用TI公司的SmartRFStudio信號測試軟件，CC2430在最強發(fā)射功率條件下，在室外晴朗的環(huán)境下測得收發(fā)距離在50 m以上，如圖8所示。

(2)使用Linux下的Hping指令對數據處理中心的網(wǎng)絡(luò )部分進(jìn)行測試，連續7天無(wú)故障運行，同時(shí)在使用Hping-flood，即網(wǎng)絡(luò )最大數據流量對其進(jìn)行測試時(shí)，仍可正常工作。
整個(gè)系統設計還需要在A(yíng)RM處理器上進(jìn)行應用級數據融合算法設計，另外需要對上位機遠程監測界面進(jìn)行設計以及在農田現場(chǎng)進(jìn)行調試工作。