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

　　2．2 數據處理中心整體結構

　　數據處理中心主要由核心處理器、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊、GPRS接口模塊、存儲模塊以及以太網(wǎng)光纖轉換模塊等組成。其整體原理圖如圖3所示。

圖3 數據處理中心原理圖

　　數據處理中心的主控制芯片采用的是基于A(yíng)RM920T架構的S3C2440處理器，該處理器是一款應用于手持移動(dòng)通訊設備的32 b RISC微處理器。在本系統中，S3C2440主要負責對整個(gè)系統內的傳感器數據進(jìn)行匯集、存儲、運算并將運算結果轉換成TCP／IP協(xié)議的光纖信號接入到In-ternet中或者通過(guò)串口與GPRS模塊通信以實(shí)現數據的遠端傳輸。

　　2．3 其他硬件電路設計

　　S3C2440在接收到CC2430模塊發(fā)送來(lái)的數據后，需要對其進(jìn)行分類(lèi)存儲，以備在歷史數據查詢(xún)時(shí)使用。本系統采用S3C2440來(lái)驅動(dòng)FLASH存儲設備SD卡的讀寫(xiě)，S3C2440具有專(zhuān)用的引腳通過(guò)SDIO模式來(lái)驅動(dòng)SD卡，使用起來(lái)十分方便。GPRS模塊的接口設計相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，S3C 2440的串口2通過(guò)MAX3232將TTL電平傳換成RS 232電平后即可與GPRS模塊相連。

　　由于農場(chǎng)環(huán)境的特殊性，不可能為每個(gè)ZigBee節點(diǎn)進(jìn)行單獨供電，因此本系統采用太陽(yáng)能電池與普通干電池相結合的方式為其提供電源，在太陽(yáng)能電池電量充足的時(shí)候，采用太陽(yáng)能電池供電，當太陽(yáng)能電池電量不足或者出現故障時(shí)切換到干電池端，利用干電池進(jìn)行供電。

　　由于基于IEEE 802．3標準的以太網(wǎng)在使用雙絞線(xiàn)的情況下最多只能傳輸100 m，網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)一般會(huì )在距數據處理中心數公里以外的距離，遠不能達到設計要求。因此，設計了一種光纖以太網(wǎng)接口，使其能夠適應較遠距離的傳輸。本系統采用的方案為，通過(guò)S3C2440驅動(dòng)DM9000-1O／100M自適應網(wǎng)卡芯片，經(jīng)網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器匹配輸出，再由隔離變壓器匹配輸入給IP113A實(shí)現以太網(wǎng)光纖信號轉換，最后經(jīng)由光纖收發(fā)模塊進(jìn)行光信號傳輸，其結構圖如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)光纖信號轉換模塊

　　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。

圖5 傳輸基站模型

圖6 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。