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

　　2．2 數(shù)據(jù)處理中心整體結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)處理中心主要由核心處理器、ZigBee無線通信模塊、GPRS接口模塊、存儲模塊以及以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換模塊等組成。其整體原理圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理中心原理圖

　　數(shù)據(jù)處理中心的主控制芯片采用的是基于ARM920T架構(gòu)的S3C2440處理器，該處理器是一款應(yīng)用于手持移動通訊設(shè)備的32 b RISC微處理器。在本系統(tǒng)中，S3C2440主要負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、存儲、運算并將運算結(jié)果轉(zhuǎn)換成TCP／IP協(xié)議的光纖信號接入到In-ternet中或者通過串口與GPRS模塊通信以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端傳輸。

　　2．3 其他硬件電路設(shè)計

　　S3C2440在接收到CC2430模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，需要對其進(jìn)行分類存儲，以備在歷史數(shù)據(jù)查詢時使用。本系統(tǒng)采用S3C2440來驅(qū)動FLASH存儲設(shè)備SD卡的讀寫，S3C2440具有專用的引腳通過SDIO模式來驅(qū)動SD卡，使用起來十分方便。GPRS模塊的接口設(shè)計相對來說比較簡單，S3C 2440的串口2通過MAX3232將TTL電平傳換成RS 232電平后即可與GPRS模塊相連。

　　由于農(nóng)場環(huán)境的特殊性，不可能為每個ZigBee節(jié)點進(jìn)行單獨供電，因此本系統(tǒng)采用太陽能電池與普通干電池相結(jié)合的方式為其提供電源，在太陽能電池電量充足的時候，采用太陽能電池供電，當(dāng)太陽能電池電量不足或者出現(xiàn)故障時切換到干電池端，利用干電池進(jìn)行供電。

　　由于基于IEEE 802．3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)在使用雙絞線的情況下最多只能傳輸100 m，網(wǎng)絡(luò)接入點一般會在距數(shù)據(jù)處理中心數(shù)公里以外的距離，遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計要求。因此，設(shè)計了一種光纖以太網(wǎng)接口，使其能夠適應(yīng)較遠(yuǎn)距離的傳輸。本系統(tǒng)采用的方案為，通過S3C2440驅(qū)動DM9000-1O／100M自適應(yīng)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實現(xiàn)以太網(wǎng)光纖信號轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)由光纖收發(fā)模塊進(jìn)行光信號傳輸，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)光纖信號轉(zhuǎn)換模塊

　　數(shù)據(jù)采集站與傳輸基站在電路設(shè)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(shè)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(jié)合的混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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T s，以廣播的形式向其管轄區(qū)域內(nèi)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(jìn)行濾波和數(shù)據(jù)融合，并對長時間沒有響應(yīng)的數(shù)據(jù)采集站的ID進(jìn)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(nèi)以單點廣播的方式，對網(wǎng)絡(luò)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(dāng)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(jìn)行設(shè)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(jìn)行確認(rèn)。圖5和圖6分別表示傳輸基站模型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖5 傳輸基站模型

圖6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　對于無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，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(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(yīng)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(yīng)答節(jié)點進(jìn)行有效的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點并進(jìn)行維修。圖7為系統(tǒng)的通信協(xié)議框架。