基于ZigBee技術的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)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(qū)別，其電路主要包括ZigBee無線模塊、與濕度傳感器間通信的串口模塊、防止程序出現(xiàn)異常的看門狗模塊以及供電模塊等。

3 系統(tǒng)軟件部分設計
為了滿足大面積覆蓋的需求，本系統(tǒng)采用MESH型與星型相結合的混合型網(wǎng)絡拓撲結構，即底層采用星型網(wǎng)絡，上層采用MESH型網(wǎng)絡，兩者在管理上是相互獨立的。
在底層，傳輸基站定時T s，以廣播的形式向其管轄區(qū)域內的數(shù)據(jù)采集站發(fā)送傳輸基站數(shù)據(jù)請求幀；數(shù)據(jù)采集站收到請求幀后，會將采集到的數(shù)據(jù)通過采集站數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)上傳給傳輸基站；傳輸基站收到數(shù)據(jù)后，將采集上來的數(shù)據(jù)進行濾波和數(shù)據(jù)融合，并對長時間沒有響應的數(shù)據(jù)采集站的ID進行記錄；在收到數(shù)據(jù)處理中心發(fā)出的數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)請求幀后，傳輸基站將處理好的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)處理中心。
數(shù)據(jù)處理中心與傳輸基站的數(shù)據(jù)傳輸采用的是輪詢方式，它會根據(jù)需要，在一定的時間內以單點廣播的方式，對網(wǎng)絡中的傳輸基站發(fā)送數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)請求幀，傳輸基站收到針對自己的數(shù)據(jù)請求幀后，按照一定的路由方式上傳數(shù)據(jù)。當需要修改數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)時(如定時發(fā)送時間間隔)，可通過控制幀進行設定，傳輸基站收到后會將修改的值發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心進行確認。圖5和圖6分別表示傳輸基站模型和網(wǎng)絡拓撲結構。

對于無線通信網(wǎng)絡來說，通信協(xié)議不僅可以保證網(wǎng)絡的可靠通信，還可以大大提高網(wǎng)絡的通信效率，節(jié)省能耗。由于智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)所監(jiān)測的參數(shù)具有緩慢變化的特性，因此本系統(tǒng)的通信協(xié)議采用“詢問-應答”方式，采用這種方式不僅可以避免數(shù)據(jù)并發(fā)所造成的通信阻塞，還可以很好地對應答節(jié)點進行有效的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點并進行維修。圖7為系統(tǒng)的通信協(xié)議框架。
本系統(tǒng)在頂層采用的是節(jié)點分布比較規(guī)則的MESH型網(wǎng)絡拓撲，其中數(shù)據(jù)處理中心相當于sink節(jié)點，目標傳輸基站相當于source節(jié)點，且節(jié)點的位置是已知的。可以將MESH網(wǎng)絡分割成若干個簇，每個簇擁有一個簇頭節(jié)點與sink節(jié)點直接相鄰，當sink節(jié)點廣播Interest時，簇頭節(jié)點根據(jù)目標source節(jié)點的簇頭信息，有選擇性地進行廣播，這樣就可以避免一個Interest在全網(wǎng)段廣播造成的能量浪費。

4 系統(tǒng)測試與結論
經(jīng)過實際的測試，完全可以滿足系統(tǒng)在功能方面的需求，在對ZigBee模塊的無線收發(fā)與網(wǎng)絡傳輸可靠性的測試中取得了比較理想的結果。
(1)通過使用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(shù)據(jù)處理中心的網(wǎng)絡部分進行測試，連續(xù)7天無故障運行，同時在使用Hping-flood，即網(wǎng)絡最大數(shù)據(jù)流量對其進行測試時，仍可正常工作。
整個系統(tǒng)設計還需要在ARM處理器上進行應用級數(shù)據(jù)融合算法設計，另外需要對上位機遠程監(jiān)測界面進行設計以及在農田現(xiàn)場進行調試工作。