劉 智

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

綠化灑水是綠化養(yǎng)護不可缺少的一部分。本文提出的設計方案主要是關(guān)于灑水控制與監(jiān)測。傳統(tǒng)的灌溉與監(jiān)測形式上是一樣的，分為兩種：一是人工，二是通過有線網(wǎng)絡實現(xiàn)。但對于例如高爾夫球場、大型公園等這些大型場所，前者耗費人力，后者布線復雜、維護麻繁[1]。本文設計的基于ZigBee的智能化草坪自動噴水系統(tǒng)，解決了以上問題。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

本系統(tǒng)使用了基于ZigBee的WSN技術(shù)，借鑒了國內(nèi)外ZigBee技術(shù)應用研究經(jīng)驗[2]，設計了如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)，其中 E1、E2、E3、E4分別代表路由采集節(jié)點，R1、R2代表路由節(jié)點。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、路由節(jié)點、監(jiān)測基站三部分組成。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

路由節(jié)點負責數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和子節(jié)點管理，可擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍。數(shù)據(jù)采集節(jié)點周期性地向協(xié)調(diào)器反饋土壤濕度信息與工作狀態(tài)，或者按接收到的命令實時反饋濕度信息。協(xié)調(diào)器負責建立并維護網(wǎng)絡，收集采集節(jié)點的土壤濕度信息和工作狀態(tài)，通過UART、USB等方式傳到與之相連的監(jiān)測基站和提供語音提示服務。監(jiān)測基站的軟件將數(shù)據(jù)進行分析、顯示并存儲到數(shù)據(jù)庫中[3]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)硬件節(jié)點包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，其中路由節(jié)點的功能與數(shù)據(jù)采集節(jié)點相仿，只需要將數(shù)據(jù)采集節(jié)點的相關(guān)傳感器去掉即可。軟件實現(xiàn)也與數(shù)據(jù)采集節(jié)點類似。下面主要講述數(shù)據(jù)采集節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點軟硬件設計與實現(xiàn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點

2.1.1 硬件組成

圖2 采集節(jié)點

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件構(gòu)成如圖2所示，其中土壤濕度采集模塊采用電壓型PH-TS土壤濕度傳感器。該模塊的工作電壓為5～12 V，采用升壓模塊LM2577供電，測量參數(shù)為土壤容積含水量，單位為%（m3/m3），具有響應快、穩(wěn)定快、精度高的特點。節(jié)點使用CC2430作為主控芯片，其中，升壓模塊由3 V電壓源供電，與開關(guān)電路搭配使用，CC2430輸出控制信號給開關(guān)電路，當CC2430不處于采樣狀態(tài)時，升壓模塊與電源模塊之間斷開，減少功耗。

2.1.2 軟件設計

由于采集節(jié)點的供電源是電池，為了延長工作壽命，軟件按功能劃分主要有：通信協(xié)議模塊、采集控制模塊、功耗管理模塊。采集控制模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和噴水的控制，流程如圖3所示，其中噴水控制閾值分為上限和下限閾值。功耗模塊管理節(jié)點的電源模式，當節(jié)點工作完畢后，便進入休眠模式。整體流程如圖4所示。

圖4 采集節(jié)點工作流程

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點

2.2.1 硬件設計

在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器可以通過串口與上位機通信，如圖5所示，包括CC2430芯片、UART接口、USB接口、YS07型語音模塊。語音模塊提供語音提示功能。接口模塊用于與上位機通信，設計了USB與UART兩種接口，使系統(tǒng)具有擴展性[4-5]。

圖5 協(xié)調(diào)器

2.2.2 軟件設計

軟件實現(xiàn)按功能劃分模塊包括：網(wǎng)絡建立模塊、節(jié)點管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、語音提示模塊、上位機通信模塊，具體流程如圖6所示。首先，協(xié)調(diào)器開始建立網(wǎng)絡，使用Z-STACK2004協(xié)議棧，進行網(wǎng)絡參數(shù)配置，尋找可利用信道，建立網(wǎng)絡；接著，進行參數(shù)的初始化，其中包括IO初始化、RAM初始化和工作節(jié)點表初始化等；然后，協(xié)調(diào)器便進入一個正常的工作輪詢循環(huán)中。詢問是否有節(jié)點管理事件發(fā)生，如果有新節(jié)點加入，則初始化各項參數(shù)，然后將它加入工作列表；如果是個舊節(jié)點，則從Flash中讀取它過去的參數(shù)，然后加入工作列表；如果有節(jié)點退出網(wǎng)絡，則將它的數(shù)據(jù)移入Flash的休息列表中，然后將它從工作列表中移除；如果要修改節(jié)點的參數(shù)值，便從工作列表中找出該節(jié)點，進行參數(shù)修改，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包通知該節(jié)點修改參數(shù)。沒有事件處理了，便詢問數(shù)據(jù)采集事件。如果需要廣播采集，便發(fā)送廣播幀給所有終端節(jié)點；如果是單播采集，便單獨發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給目標節(jié)點，通知它采集數(shù)據(jù)；如果有接收到數(shù)據(jù)包，則將收集的數(shù)據(jù)進行操作和更新。沒有事件處理了，便進行下一步，詢問語音提示，如果有事件要處理，就執(zhí)行語音提示服務，語音服務主要有節(jié)點加入提示、節(jié)點電池更換提示。接著詢問是否有上位機通信事件發(fā)生，這里主要完成將數(shù)據(jù)上傳給上位機和解析從上位機接收到的數(shù)據(jù)。當沒有事件需要處理了，便進入下個輪詢循環(huán)。

圖6 協(xié)調(diào)器工作流程

圖7 上位機軟件界面

2.3 上位機軟件界面

協(xié)調(diào)器可通過串口與上位機連接，將收集的節(jié)點采集數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)發(fā)送給上位機，在上位機的軟件界面顯示并且可隨時將所測量值以文本格式進行存儲以便后期跟蹤記錄、查詢等。上位機軟件界面如圖7所示。

本文設計了一種低功耗的智能化自動噴水系統(tǒng)。管理者從串口軟件界面上可以了解到各個監(jiān)測區(qū)域的情況，并且可以通過串口軟件提供的操作功能來管理網(wǎng)絡中的節(jié)點。另外，協(xié)調(diào)器帶有語音提示功能，可進一步幫助管理者有效管理網(wǎng)絡。同時，該系統(tǒng)的功能還有很大的擴展空間，如PH值檢測、溫度檢測、檢測故障等功能，比較適合于綠化管理數(shù)字化建設的需求，具有較好的市場前景。

[1]包長春，石瑞珍，馬玉泉，等.基于 ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)設施測控系統(tǒng)的設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23（8）：160-164.

[2]朱麗，吳華瑞，李輝.基于 ZigBee技術(shù)的農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡體系架構(gòu)研究[J].高技術(shù)通訊，2011，21（6）：581-586.

[3]高強，陳明.基于ZigBee協(xié)議的溫室無線控制傳感網(wǎng)絡的構(gòu)建[J].機床與液壓，2008，36（7）：199-203.

[4]SUNG T W，YANG C S.An adaptive joining mechanism for improving the connection ratio of ZigBee wireless sensor networks[J].International Journal of Communication Systems，2010，23(2)：32-37.

[5]YEN L H，YSAI W T.The room shortage problem of treebased ZigBee/IEEE 802.15.4 wireless networks[J].Computer Communications，2010，32(4)：44-46.