基于ZigBee無線傳感網絡的節水灌溉系統設計

“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。

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。

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。