基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計

“節(jié)約用水，人人有責(zé)”，水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源。因此，推廣節(jié)水灌溉也已成為世界各國為緩解水資源危機和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。本文提出一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案，并根據(jù)農(nóng)田的特殊條件，設(shè)計出一套節(jié)水灌溉系統(tǒng)，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(tǒng)平臺整體設(shè)計方案

　　按照功能需求，硬件平臺共可分為以下五個部分：數(shù)據(jù)采集站，傳輸基站，數(shù)據(jù)處理中心，遠程監(jiān)測站以及電磁閥控制站。圖1為系統(tǒng)的硬件平臺結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　系統(tǒng)中各部分的功能與工作流程如下：首先根據(jù)農(nóng)田的管道分布情況，以及ZigBee無線節(jié)點的有效通信距離，將灌溉區(qū)分割為數(shù)塊獨立的灌溉控制單元，在每個單元中設(shè)有一個或數(shù)個傳輸基站和若干分布在農(nóng)田不同位置的數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集站通過與其連接的傳感器采集土壤濕度參數(shù)，并將數(shù)據(jù)定時傳送給傳輸基站；傳輸基站負(fù)責(zé)管理其管轄區(qū)域內(nèi)的各個數(shù)據(jù)采集站，當(dāng)數(shù)據(jù)處理中心詢問數(shù)據(jù)時，傳輸基站將數(shù)據(jù)進行第一級融合后以Ad hoc的方式上傳給數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心首先對接收到的數(shù)據(jù)進行聚類、存儲并與其他的參數(shù)(如氣象信息、水文地理信息、專家系統(tǒng)以及作物的特征信息等)按照一定算法實現(xiàn)第二級融合，做出初步判決，并將判決結(jié)果連同部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過光纖以太網(wǎng)或者GPRS模塊傳送給遠程監(jiān)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(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)判決結(jié)果向電磁閥控制端發(fā)送控制指令；電磁閥控制端根據(jù)接收到的控制指令執(zhí)行灌溉控制，到此，一個完整的系統(tǒng)工作過程結(jié)束。

　　2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

　　本系統(tǒng)硬件平臺的核心部分為數(shù)據(jù)處理中心，它負(fù)責(zé)管理整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集、存儲、融合以及數(shù)據(jù)的遠端傳輸?shù)取?/P>

　　2．1 ZigBee模塊設(shè)計

　　ZigBee無線通信芯片選用的是TI公司的CC2430F128，它是全球首個真正意義上的系統(tǒng)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(tǒng)將其進行了模塊化設(shè)計，其原理圖如圖2所示。

圖2 CC2430模塊設(shè)計原理圖

　　在射頻電路部分使用了一個非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C2和電感L1，L2，L3以及微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。其內(nèi)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主要用來為32MHz的晶振提供一個合適的工作電流。32MHz的石英諧振器(X1)和2個電容(C191和C211)構(gòu)成高速時鐘電路。32. 768 kHz的石英晶體(X2)與2個電容(C441和C431)構(gòu)成低速時鐘電路。在模塊的外圍，采用MAX706S看門狗芯片，在程序出現(xiàn)異常時為其提供可靠復(fù)位。同時S3C2440的串口1與CC2430模塊的串口0相連，為S3C2440提供了訪問ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接口。