王淑珍 ，周益明 ,2，陳娜娜 ，王 華 ，繆 軍 ，楊祥龍

（1.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310029;2.江南電子通信研究所，浙江 嘉興 314001;3.浙江正聯(lián)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司,浙江 杭州 310014)

景觀灌溉系統(tǒng)是景觀設(shè)計(jì)中的重要組成部分。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，將無線自動控制系統(tǒng)引入景觀灌溉系統(tǒng)對景觀設(shè)計(jì)的發(fā)展具有重要意義?；赯igBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的景觀灌溉系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信號的獲取和控制命令的發(fā)布，根據(jù)用戶設(shè)定或者參數(shù)反饋對灌溉系統(tǒng)進(jìn)行自動控制；無線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，避免了有線網(wǎng)絡(luò)的搭建，從一定意義上節(jié)約了系統(tǒng)成本，方便了系統(tǒng)維護(hù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；微型太陽能電池的使用，解決了采用普通堿性電池供電時無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要頻繁更換電池的缺點(diǎn)，從一定程度上提高了系統(tǒng)的使用壽命。

本文主要介紹了景觀灌溉系統(tǒng)中，無線控制子系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)；利用中央控制器、無線控制器節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無線星型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的自動采集和傳輸、控制命令的發(fā)布；無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用微型太陽能電池供電，體積小、易于搭建、節(jié)省了電線電纜，延長了節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

1 基于ZigBee的無線控制子系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

本設(shè)計(jì)中無線控制子系統(tǒng)采用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議是一種低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[1]，特別適用于監(jiān)測控制系統(tǒng)。本文采用了星型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適用于控制小型的無線自動灌溉系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，中央控制器作為協(xié)調(diào)器，擔(dān)任著組建網(wǎng)絡(luò)、允許節(jié)點(diǎn)加入、接收無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)、顯示各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、向無線控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令等任務(wù)；無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息(空氣溫、濕度，光照度及土壤濕度等)，并且將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制器，以便中央控制器顯示環(huán)境參數(shù)信息或者做出灌溉與否的決策；無線控制器節(jié)點(diǎn)接收中央控制器傳來的灌溉命令，啟動或關(guān)閉相應(yīng)的電磁閥，完成灌溉任務(wù)。無線控制子系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 無線控制子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中采用了Jennic公司生產(chǎn)的JN5139-001系列無線微處理器模塊,該模塊集成了可工作于2.4 GHz頻段的射頻模塊，兼容于IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議[2];提供了對大量模擬和數(shù)字外設(shè)的互操作支持：中央控制器配置了液晶顯示器和按鍵，顯示網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)值、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、對灌溉系統(tǒng)進(jìn)行手動或自動控制;無線傳感器節(jié)點(diǎn)配置了各種傳感器,對各種環(huán)境信息進(jìn)行采集，發(fā)送給中央控制器，進(jìn)行實(shí)時顯示或進(jìn)行灌溉決策；無線控制器節(jié)點(diǎn)可配置4路噴灌設(shè)備，用于接收中央控制器發(fā)布的控制命令，通過電磁閥對噴頭噴水與否進(jìn)行控制。此外，對不同的節(jié)點(diǎn)還配置了不同的供電設(shè)備：中央控制器可用作便攜式控制設(shè)備，采用AAA電池供電；無線傳感器節(jié)點(diǎn)放置于露天環(huán)境下采集必要的環(huán)境信息，陽光充足時，配置的微型太陽能電池為其供電，充分利用太陽能資源；無線控制器節(jié)點(diǎn)控制交流電磁閥，因能耗較大，采用電網(wǎng)供電。

3 無線控制子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括3種類型的節(jié)點(diǎn),因此軟件部分的設(shè)計(jì)也包括3部分，由中央控制器在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任“協(xié)調(diào)器”的工作:(1)將自己定義為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并建立網(wǎng)絡(luò)，等待其他節(jié)點(diǎn)的加入；(2)在完成組網(wǎng)的任務(wù)后進(jìn)入主循環(huán)，即周期性地接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)并實(shí)時地將節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)信息顯示在液晶上。同時，根據(jù)用戶設(shè)置判斷是否滿足灌溉條件，一旦滿足就向控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的灌溉命令；(3)當(dāng)產(chǎn)生各種硬件或軟件中斷（如按鍵、時鐘等）時則跳到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，等執(zhí)行完該服務(wù)后，又將回到主程序繼續(xù)循環(huán)。中央控制器的主程序流程圖如圖3所示。

圖3 中央控制器主程序流程圖

無線傳感器節(jié)點(diǎn)和無線控制器節(jié)點(diǎn)都屬于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的“終端節(jié)點(diǎn)”，但擔(dān)任的任務(wù)各不相同。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的首要任務(wù)是加入到中央控制器建立的網(wǎng)絡(luò)，然后開始周期性地采集環(huán)境參數(shù)信息并將數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制器。而無線控制器節(jié)點(diǎn)以同樣的方式連入網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入休眠階段，直到接收到中央控制器發(fā)送來的灌溉命令才跳入灌溉中斷服務(wù)程序。圖4為無線傳感器節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖。

圖4 無線傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

4 微型太陽能電池

本系統(tǒng)中，為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的微型太陽能電池應(yīng)具備體積小、能量密度高[3]的特點(diǎn)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)所需的微型太陽能電池包括3部分：太陽能光伏板、NiMH蓄電池組和輸出調(diào)整電路。白天，太陽光線充足的時候，太陽能光伏板將光能轉(zhuǎn)化成電能為NiMH蓄電池組充電，同時為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電；晚上或者陰雨天，太陽光線弱時，由儲能的NiMH蓄電池組為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。輸出調(diào)整電路負(fù)責(zé)將太陽能光伏板或者蓄電池的輸出轉(zhuǎn)換成無線傳感器節(jié)點(diǎn)所需的電壓輸入。微型太陽能電池的原理框圖如圖5所示。

在對無線傳感器節(jié)點(diǎn)配置微型太陽能電池時，為了實(shí)現(xiàn)既能滿足系統(tǒng)的能量需求，又能實(shí)現(xiàn)體積最小化和成本最低化的最優(yōu)匹配，首先要計(jì)算無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗，表1為無線傳感器節(jié)點(diǎn)在一個工作周期內(nèi)處于不同工作過程時的能耗及總能耗[4]。

根據(jù)表1可得傳感器節(jié)點(diǎn)的平均電流約為：

式中，W為無線傳感器節(jié)點(diǎn)一個工作周期的總能耗，t為一個工作周期。

表1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗

因?yàn)殡娏魇窃? V工作電壓下測得的,其平均功耗約為:

太陽能光伏板是將光能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。光伏板的輸出電壓由光伏板的轉(zhuǎn)換效率、光伏板放置地點(diǎn)的太陽輻射能、緯度等因素決定。本設(shè)計(jì)中選用現(xiàn)今轉(zhuǎn)換效率最高的單晶硅太陽能光伏板，放置在杭州地區(qū)。杭州地區(qū)的緯度為北緯30.26°，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，太陽能光伏板的傾角設(shè)定為35°[4]，以便一年四季獲得比較均衡的太陽能輻射量。表2為杭州地區(qū)部分月份的月平均日輻射量及月平均每日峰值日照時數(shù)。

杭州地區(qū)7、8月份的太陽能輻射量較其他月份更大，因此在考慮太陽能輻射量的季節(jié)差異后，設(shè)定太陽能電池的每日充電時間為2小時，則其效率為8.3%；NiMH蓄電池的效率為66%；而輸出調(diào)整電路部分的效率約為50%。則所需的太陽能光伏板的功率為：

因此系統(tǒng)中配置了一塊標(biāo)稱電壓7.5V、標(biāo)稱電流240 mA、功率約為1.8 W的單晶太陽能光伏板；選用容量高、環(huán)境友好、充電邏輯簡單、超低自放電率[5]的5節(jié)格氏、ACE AA、單節(jié)容量2000 mAH的NiMH蓄電池作為儲能裝置。在夜晚或者光線微弱的時候，為了防止蓄電池反充太陽能光伏板，在光伏板和蓄電池之間串聯(lián)一個防回流的二極管1N5819。NiMH蓄電池的充電邏輯簡單，光伏板的輸出電壓與NiMH蓄電池的充電電壓比較匹配，因此可直接用光伏板為蓄電池進(jìn)行充電。

表2 杭州地區(qū)部分月份太陽能月平均日輻射量及月平均每日峰值日照時數(shù)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作電壓為2.2 V～3.6 V。因此，將太陽能光伏板或者蓄電池的輸出轉(zhuǎn)換成無線傳感器節(jié)點(diǎn)所需的電壓輸入需要配置一個輸出調(diào)整電路。其電路原理圖如圖6所示。

圖6 輸出調(diào)整電路

經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后，AMS1117輸出3.3 V的電壓，可為無線傳感器節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的工作電壓，保證了無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集、傳輸精確的環(huán)境信息，便于用戶了解環(huán)境狀況(或中央控制器)據(jù)此作出正確的灌溉與否的決策。

將無線控制子系統(tǒng)應(yīng)用到景觀灌溉系統(tǒng)中,可以實(shí)現(xiàn)景觀噴灌系統(tǒng)的自動控制，既節(jié)省人力，又方便管理；微型太陽能電池為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電，從一定程度上延長了系統(tǒng)的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了太陽能資源的有效利用。本系統(tǒng)已經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行并且取得了很好的效果，為今后大型無線自動灌溉系統(tǒng)在景觀設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

[1]顧瑞紅,張宏科.基于 ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005,31(6).

[2]Jennic Ltd.JN-DS-JN513x-1v4:data sheet-JN513x IEEE802.15.4 and ZigBee wireless microcontroller,26th Oct.,2007:http://www.jennic.com.

[3]JEONG J,JIANG Xiao Fan,CULLER D.Design and analysis of micro-solar power systems for wireless sensor Networks.Technical report.2007,24:http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2007/EECS-2007-24.html.

[4]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]TANEJA J,JEONG J,CULLER D.Design,modeling,and capacity planning for micro-solar power sensor networks[C].2008 International Conference on Information Processing in Sensor Networks.2008.