?“節約用水，人人有責”，水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源。因此，推廣節水灌溉也已成為世界各國為緩解水資源危機和實現農業現代化的必然選擇。本文提出一種基于ZigBee無線傳感器網絡的設計方案，并根據農田的特殊條件，設計出一套節水灌溉系統，避免了依附于其他通信網絡所產生的額外費用。

　　1 系統平臺整體設計方案

　　按照功能需求，硬件平臺共可分為以下五個部分：數據采集站，傳輸基站，數據處理中心，遠程監測站以及電磁閥控制站。圖1為系統的硬件平臺結構圖。

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圖1 系統結構框圖

　　系統中各部分的功能與工作流程如下：首先根據農田的管道分布情況，以及ZigBee無線節點的有效通信距離，將灌溉區分割為數塊獨立的灌溉控制單元，在每個單元中設有一個或數個傳輸基站和若干分布在農田不同位置的數據采集站，數據采集站通過與其連接的傳感器采集土壤濕度參數，并將數據定時傳送給傳輸基站；傳輸基站負責管理其管轄區域內的各個數據采集站，當數據處理中心詢問數據時，傳輸基站將數據進行第一級融合后以Ad hoc的方式上傳給數據處理中心；數據處理中心首先對接收到的數據進行聚類、存儲并與其他的參數(如氣象信息、水文地理信息、專家系統以及作物的特征信息等)按照一定算法實現第二級融合，做出初步判決，并將判決結果連同部分關鍵數據通過光纖以太網或者GPRS模塊傳送給遠程監測站，請求經驗豐富的工作人員做最后的判決，并將判決信息返回給數據處理中心，數據處理中心根據判決結果向電磁閥控制端發送控制指令；電磁閥控制端根據接收到的控制指令執行灌溉控制，到此，一個完整的系統工作過程結束。

　　2 系統硬件部分設計

　　本系統硬件平臺的核心部分為數據處理中心，它負責管理整個ZigBee無線網絡，實現整個網絡的數據匯集、存儲、融合以及數據的遠端傳輸等。

　　2．1 ZigBee模塊設計

　　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級ZigBee芯片，其射頻收發器工作在2．4 GHz ISM(IndustryScience Medical)頻段，采用低電壓(2．0～3．6 V)供電，接收發射電流為27 mA，接收信號靈敏度高達-92 dBm、最大發射功率為+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，因此本系統將其進行了模塊化設計，其原理圖如圖2所示。

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圖2 CC2430模塊設計原理圖

　　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，整個結構滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。其內部的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，在程序出現異常時為其提供可靠復位。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無線網絡數據的接口。

　　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無線通信模塊、GPRS接口模塊、存儲模塊以及以太網光纖轉換模塊等組成。其整體原理圖如圖3所示。

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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ARM920T架構的S3C2440處理器，該處理器是一款應用于手持移動通訊設備的32 b RISC微處理器。在本系統中，S3C2440主要負責對整個系統內的傳感器數據進行匯集、存儲、運算并將運算結果轉換成TCP／IP協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模塊發送來的數據后，需要對其進行分類存儲，以備在歷史數據查詢時使用。本系統采用S3C2440來驅動FLASH存儲設備SD卡的讀寫，S3C2440具有專用的引腳通過SDIO模式來驅動SD卡，使用起來十分方便。GPRS模塊的接口設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。

　　由于農場環境的特殊性，不可能為每個ZigBee節點進行單獨供電，因此本系統采用太陽能電池與普通干電池相結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，當太陽能電池電量不足或者出現故障時切換到干電池端，利用干電池進行供電。

　　由于基于IEEE 802．3標準的以太網在使用雙絞線的情況下最多只能傳輸100 m，網絡接入點一般會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S3C2440驅動DM9000-1O／100M自適應網卡芯片，經網絡隔離變壓器匹配輸出，再由隔離變壓器匹配輸入給IP113A實現以太網光纖信號轉換，最后經由光纖收發模塊進行光信號傳輸，其結構圖如圖4所示。

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圖4 以太網光纖信號轉換模塊

　　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無線模塊、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狗模塊以及供電模塊等。

　　3 系統軟件部分設計

　　為了滿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絡拓撲結構，即底層采用星型網絡，上層采用MESH型網絡，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域內的數據采集站發送傳輸基站數據請求幀；數據采集站收到請求幀后，會將采集到的數據通過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，將采集上來的數據進行濾波和數據融合，并對長時間沒有響應的數據采集站的ID進行記錄；在收到數據處理中心發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方式，它會根據需要，在一定的時間內以單點廣播的方式，對網絡中的傳輸基站發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(如定時發送時間間隔)，可通過控制幀進行設定，傳輸基站收到后會將修改的值發送給數據處理中心進行確認。圖5和圖6分別表示傳輸基站模型和網絡拓撲結構。

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圖5 傳輸基站模型

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圖6 網絡拓撲結構

　　對于無線通信網絡來說，通信協議不僅可以保證網絡的可靠通信，還可以大大提高網絡的通信效率，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議采用“詢問-應答”方式，采用這種方式不僅可以避免數據并發所造成的通信阻塞，還可以很好地對應答節點進行有效的監控，及時發現故障節點并進行維修。圖7為系統的通信協議框架。

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圖7 通信協議框架

　　本系統在頂層采用的是節點分布比較規則的MESH型網絡拓撲，其中數據處理中心相當于sink節點，目標傳輸基站相當于source節點，且節點的位置是已知的。可以將MESH網絡分割成若干個簇，每個簇擁有一個簇頭節點與sink節點直接相鄰，當sink節點廣播Interest時，簇頭節點根據目標source節點的簇頭信息，有選擇性地進行廣播，這樣就可以避免一個Interest在全網段廣播造成的能量浪費。

　　4 系統測試與結論

　　經過實際的測試，完全可以滿足系統在功能方面的需求，在對ZigBee模塊的無線收發與網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在最強發射功率條件下，在室外晴朗的環境下測得收發距離在50 m以上，如圖8所示。

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圖8 接收信號強度與距離曲線

　　(2)使用Linux下的Hping指令對數據處理中心的網絡部分進行測試，連續7天無故障運行，同時在使用Hping-flood，即網絡最大數據流量對其進行測試時，仍可正常工作。

　　整個系統設計還需要在ARM處理器上進行應用級數據融合算法設計，另外需要對上位機遠程監測界面進行設計以及在農田現場進行調試工作。

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