ZigBee的遠程低功耗灌溉控制系統(tǒng)設計

其消息類型域取值見表1。協(xié)調器收到ZigBee終端的回復消息后，將該節(jié)點號所對應的字節(jié)的控制消息全部位置0，使下次廣播控制指令后，該終端節(jié)點不會采取相應動作。
當ZigBee協(xié)調器發(fā)送完控制消息后，等待接收終端電磁閥的狀態(tài)，ZigBee協(xié)調器收到所有ZigBee終端的電磁閥狀態(tài)信息或者等待時間超時后，向上位機發(fā)送已接收到的電磁閥信息。
ZigBee協(xié)調器的消息處理流程如圖5所示。

(2)ZigBee終端消息處理
由于ZigBee終端是完全由電池供電，所以ZigBee終端必須定時睡眠來節(jié)約能量，使終端工作時間可以盡可能地長。因此，ZigBee協(xié)調器收到控制信息后不可能直接發(fā)送給終端，必須先存儲，ZigBee終端為了獲得控制消息，在醒來后必須向協(xié)調器發(fā)送詢問消息，使ZigBee協(xié)調器發(fā)送控制消息。
ZigBee終端收到ZigBee協(xié)調器發(fā)送來的控制指令后，向ZigBee協(xié)調器發(fā)送確認消息，使ZigBee協(xié)調器更改相應的節(jié)點狀態(tài)，避免重復發(fā)送控制指令到ZigBee終端，增加ZigBee終端的負擔。
ZigBee終端收到控制信息后，獲取本節(jié)點的控制信息，判斷是否有控制信息。如果有控制信息，為了使ZigBee終端的電磁閥中的電機不出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，ZigBee終端必須判斷當前的控制狀態(tài)是否和電磁閥當前的狀態(tài)相同。如果相同，則對電磁閥不采取任何控制動作；如果不同，則根據(jù)控制信息對電磁閥采取相應的控制。對控制信息進行判斷后，為了使電磁閥對控制信息有充分的反應時間，延時1 s采集電磁閥的控制信息，然后將其傳送到ZigBee協(xié)調器，其處理流程圖6所示。

回復到ZigBee協(xié)調器的電磁閥的狀態(tài)信息的消息格式如下。

其中消息類型域的值見表2。電磁閥狀態(tài)域低4位存放電磁閥的狀態(tài)，每一位存放一個電磁閥的狀態(tài)。
3．2 低功耗與同步設計
由于ZigBee終端節(jié)點是采用電池供電，所以ZigBee終端節(jié)點必須定時地休眠和喚醒以節(jié)約能量，使電池的供電時間更長。如果本系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀結構和樹狀結構，那么路由器節(jié)點必須在非路由器節(jié)點之前醒來，這樣必然會增加系統(tǒng)的控制難度，最糟糕的情況下可
能會使整個系統(tǒng)無法控制，并且可能使終端節(jié)點不定期的掉線。所以本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡，終端節(jié)點直接和協(xié)調器節(jié)點交互信息。
3．2．1 ZigBee節(jié)點同步
ZigBee節(jié)點之間的誤差主要是傳輸延時和節(jié)點之間的時鐘誤差。
(1)節(jié)點時鐘誤差測量
ZigBee協(xié)調器節(jié)點先發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，其中帶有協(xié)調器節(jié)點下一次發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間T1。節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，啟動定時器等待接收Zig Bee協(xié)調器下次發(fā)送數(shù)據(jù)，當ZigBee終端節(jié)點收到下一次同步數(shù)據(jù)后，讀取定時器的時間為T2，所以時鐘偏移誤差為：a=(T2-T1)／T1。
(2)延時誤差
ZigBee終端節(jié)點向ZigBee協(xié)調器節(jié)點發(fā)送同步信息，ZigBee協(xié)調器收到同步信息后回復一個同步信息到ZigBee終端，ZigBee終端收到此回復信息的時間為T3。假設傳輸?shù)难訒r一樣，為T4，則T4=(1+a)×T3／2。
3．2．2 ZigBee終端節(jié)點睡眠
當ZigBee協(xié)調器接收到所有節(jié)點的狀態(tài)回復后，廣播一個睡眠消息到ZigBee終端，消息中加入睡眠的時間T5，ZigBee終端收到此時間后，開始睡眠，其睡眠時間為T5-T4-a×(T5-T4)。節(jié)點醒來后，再延時1 s發(fā)送詢問消息到協(xié)調器，獲得控制消息。

結語
本系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場調試，能夠對上位機發(fā)送的控制指令進行準確的控制。節(jié)點定時地睡眠和蘇醒，能夠有效地節(jié)約電量，兩節(jié)干電池能夠工作6個月到兩年，為系統(tǒng)在農田這種無電源供電場合提供保障。采用同步算法和一些輔助措施，使系統(tǒng)能夠在同一時間蘇醒、同一時間睡眠，ZigBee終端節(jié)點同一時間接收到ZigBee協(xié)調器廣播控制指令數(shù)據(jù)包的概率在90％以上，更加節(jié)約能源。