基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的節水灌溉系統設計

“節約用水，人人有責”，水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源。因此，推廣節水灌溉也已成為世界各國為緩解水資源危機和實(shí)現農業(yè)現代化的必然選擇。本文提出一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計方案，并根據農田的特殊條件，設計出一套節水灌溉系統，避免了依附于其他通信網(wǎng)絡(luò )所產(chǎn)生的額外費用。

　　1 系統平臺整體設計方案

　　按照功能需求，硬件平臺共可分為以下五個(gè)部分：數據采集站，傳輸基站，數據處理中心，遠程監測站以及電磁閥控制站。圖1為系統的硬件平臺結構圖。

圖1 系統結構框圖

　　系統中各部分的功能與工作流程如下：首先根據農田的管道分布情況，以及ZigBee無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的有效通信距離，將灌溉區分割為數塊獨立的灌溉控制單元，在每個(gè)單元中設有一個(gè)或數個(gè)傳輸基站和若干分布在農田不同位置的數據采集站，數據采集站通過(guò)與其連接的傳感器采集土壤濕度參數，并將數據定時(shí)傳送給傳輸基站；傳輸基站負責管理其管轄區域內的各個(gè)數據采集站，當數據處理中心詢(xún)問(wèn)數據時(shí)，傳輸基站將數據進(jìn)行第一級融合后以Ad hoc的方式上傳給數據處理中心；數據處理中心首先對接收到的數據進(jìn)行聚類(lèi)、存儲并與其他的參數(如氣象信息、水文地理信息、專(zhuān)家系統以及作物的特征信息等)按照一定算法實(shí)現第二級融合，做出初步判決，并將判決結果連同部分關(guān)鍵數據通過(guò)光纖以太網(wǎng)或者GPRS模塊傳送給遠程監測站，請求經(jīng)驗豐富的工作人員做最后的判決，并將判決信息返回給數據處理中心，數據處理中心根據判決結果向電磁閥控制端發(fā)送控制指令；電磁閥控制端根據接收到的控制指令執行灌溉控制，到此，一個(gè)完整的系統工作過(guò)程結束。

　　2 系統硬件部分設計

　　本系統硬件平臺的核心部分為數據處理中心，它負責管理整個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的數據匯集、存儲、融合以及數據的遠端傳輸等。

　　2．1 ZigBee模塊設計

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)通信芯片選用的是TI公司的CC2430F128，它是全球首個(gè)真正意義上的系統級ZigBee芯片，其射頻收發(fā)器工作在2．4 GHz ISM(IndustryScience Medical)頻段，采用低電壓(2．0～3．6 V)供電，接收發(fā)射電流為27 mA，接收信號靈敏度高達-92 dBm、最大發(fā)射功率為+O．6 dBm、最大傳送速率為250 Kb／s，硬件支持CSMA／CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和RSSI(Received Signal Strength Indicator)功能。由于其屬于高頻器件，因此本系統將其進(jìn)行了模塊化設計，其原理圖如圖2所示。

圖2 CC2430模塊設計原理圖

　　在射頻電路部分使用了一個(gè)非平衡天線(xiàn)，連接非平衡變壓器可使天線(xiàn)性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C2和電感L1，L2，L3以及微波傳輸線(xiàn)組成，整個(gè)結構滿(mǎn)足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。其內部的T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來(lái)為32MHz的晶振提供一個(gè)合適的工作電流。32MHz的石英諧振器(X1)和2個(gè)電容(C191和C211)構成高速時(shí)鐘電路。32. 768 kHz的石英晶體(X2)與2個(gè)電容(C441和C431)構成低速時(shí)鐘電路。在模塊的外圍，采用MAX706S看門(mén)狗芯片，在程序出現異常時(shí)為其提供可靠復位。同時(shí)S3C2440的串口1與CC2430模塊的串口0相連，為S3C2440提供了訪(fǎng)問(wèn)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據的接口。