夏 勇

(長江工程職業(yè)技術(shù)學院， 武漢 430212)

0 引 言

我國是個缺水的國家，水資源分布不平衡。在干旱缺水的地區(qū)，水資源緊缺更加嚴重。而且由于技術(shù)、管理水平落后,導致灌溉用水浪費也十分嚴重,農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率僅為40%。微灌技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)作物的精準灌溉，提高水的利用效率，研究智能微灌技術(shù)可有效解決干旱、缺水地區(qū)的灌溉問題，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。如果根據(jù)監(jiān)測土壤的信息,實時控制灌溉時機和水量,可以有效提高用水效率。因此,設計一種應用系統(tǒng),通過應用低功耗ZigBee技術(shù)，降低灌溉的人工成本，提高效率，同時可不依賴于移動網(wǎng)絡覆蓋獨立運行,實現(xiàn)土壤信息的連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)就是本設計的思想。

本系統(tǒng)設計應用于較為偏遠的灌溉地區(qū)系統(tǒng)，以ZigBee無線通信系統(tǒng)為基礎，通過應用低功耗ZjgBee技術(shù)，研究智能微灌解決方案。為實現(xiàn)最低的運行成本，最大程度減少甚至達到完全免維護，需要研究周期內(nèi)達到發(fā)電能力與電力消耗的平衡。本設計從發(fā)電及耗電兩方面進行優(yōu)化，系統(tǒng)以ZigBee無線通信系統(tǒng)為基礎，研究智能微灌解決方案，通過優(yōu)化網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，設置可充電電池及緩沖電容、針對灰塵積累問題設計特型太陽能電池、整體設計均采用低功耗元件等措施降低系統(tǒng)功耗，達到系統(tǒng)運行接近免維護的目的。

1 系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)則是一種新型的短距離雙向無線傳輸技術(shù)，滿足了無線傳感器網(wǎng)絡的組網(wǎng)要求。ZigBee技術(shù)是為低數(shù)據(jù)速率、短距離無線網(wǎng)絡通信定義的一系列通信協(xié)議標準?；趜igBee的無線設備工作在868，915 MHz和2.4 GHz頻帶。其最大數(shù)據(jù)速率是250 kbps。

ZigBce技術(shù)主要針對以電池為電源的應用，這些應用對低數(shù)據(jù)速率、低成本、更長時間的電池壽命有較高的需求。

ZigBee標準采用IEEE 802.15.4標準作為其為其PHY層和MAC層協(xié)議。遵循ZigBee的設備，也同樣遵循IEEE 802.15.4標準。其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為指定的兩種拓撲之一：星型或點對點型，IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡中有兩種設備類型：全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。FFD可以執(zhí)行IEEE 802.15.4標準中描述的所有功能，可扮演網(wǎng)絡中的所有角色：協(xié)調(diào)器、PAN協(xié)調(diào)器和普通設備。協(xié)調(diào)器是FFD設備，能夠中繼消息，如果協(xié)調(diào)器同樣也是區(qū)域網(wǎng)絡的主控制器，稱為PAN協(xié)調(diào)器，如果不作為協(xié)調(diào)器稱為普通設備。RFD只有部分功能，RED只能和FFD設備通信。一個網(wǎng)絡總是由一個PAN協(xié)調(diào)器所創(chuàng)建，PAN協(xié)調(diào)器為網(wǎng)絡選擇一個在其覆蓋范圍內(nèi)唯一的PAN標識符，為網(wǎng)絡中的每一個設備分配一個唯一地址，初始化、終止、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡中的消息。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

農(nóng)業(yè)種植，尤其偏遠地區(qū)，面積大，地理位置較為分散，因此系統(tǒng)需要覆蓋很大的范圍。由于在偏遠地區(qū)移動網(wǎng)絡(GSM等)覆蓋較為不全，通常只有靠近村莊、公路等位置才有較好覆蓋，因此本設計以中心站有GSM網(wǎng)絡為條件，在中心站設置GSM收發(fā)器，其余設備均采用ZigBee技術(shù)，由無線傳感節(jié)點(RFD)、無線路由節(jié)點(FFD)、中心協(xié)調(diào)器部分組成,通過ZigBee自組網(wǎng)。每個傳感節(jié)點通過溫濕度傳感器,自動采集土壤信息,并結(jié)合預設的濕度上下限進行分析,判斷是否需要灌溉及何時停止。每個節(jié)點通過太陽能電池供電,電池電壓被隨時監(jiān)控,一旦電壓過低,節(jié)點會發(fā)出電壓過低的報警信號,發(fā)送成功后,節(jié)點進入睡眠狀態(tài)直到電量充足。其中中心站協(xié)調(diào)器與路由器間距離在300 m～1.6 km終端設備與路由器距離≤300 m?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

1.3 低功耗模式設計

根據(jù)微灌的應用特性，系統(tǒng)無需時時處于在線狀態(tài)且需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量通常較小(如向下傳遞開關(guān)指令、統(tǒng)一時鐘信息，返同溫度、濕度、設備正常標志、電量等)，在空閑時間將系統(tǒng)除中心站協(xié)調(diào)器及路由器以外所有終端設置在睡眠狀態(tài)下，可節(jié)約絕大部分電力。

在ZigBee協(xié)議中，定義PMO(電源常通)----PM3(僅支持外部中斷喚醒)四種電源模式，其中PM2以較低的功耗支持定時器喚醒．適合本系統(tǒng)設計。

對傳感器節(jié)點加電后，執(zhí)行初始化程序，為整個網(wǎng)絡的形成做準備。由節(jié)點模塊掃描整個網(wǎng)絡，通過掃描頻段選定信道。檢查網(wǎng)絡是否存在，入網(wǎng)后開啟中斷，啟動定時器，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)。檢查節(jié)點是否有發(fā)送信息任務，沒有信息則休眠。有信息則定時器產(chǎn)生溢出中斷后系統(tǒng)被喚醒，處理器系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，讀入傳感器數(shù)據(jù)，按格式對數(shù)據(jù)進行封裝并發(fā)送，發(fā)送成功進入休眠狀態(tài)，等待再次被喚。節(jié)點模塊要在固定的時間內(nèi)掃描網(wǎng)絡，以確保節(jié)點本身在網(wǎng)絡中。這些軟件設計使得傳感器節(jié)點在使用過程中的功耗在很大程度上得到降低，達到低功耗的設計目的。傳感器節(jié)點的軟件設計流程如圖2所示。

圖2 流程圖

1.4 拓撲結(jié)構(gòu)及能效路由

在灌溉系統(tǒng)中，通?？烧J為中心站是接近于電網(wǎng)供電的，無需進行功耗考慮。而其他各個路由或終端均需要進行考量。在ZigBee NwK層中提供路由發(fā)現(xiàn)程序，可通過選擇合適的路由機制避免劣質(zhì)鏈接、降低長消息延遲同時延長網(wǎng)絡壽命(從正常工作到第一個節(jié)點失效的時間)。例如，更接近于中心站的路由可能因傳遞更多的數(shù)據(jù)而工作更長時間或工作在更高的傳輸速率下,從而消耗更多的電力,本設計采用電源感知路由方式，將電池狀態(tài)信息(包含于設備描述中的節(jié)點電源描述符中)納入計算鏈接開銷的考慮范圍內(nèi),可以盡量使整個網(wǎng)絡的電量平均。盡管總消耗可能稍高，但提供更大的可能渡過長期光照不足導致的部分電池完全耗盡，以至于電池不可逆損壞及網(wǎng)絡完全斷開或分裂。一次路由的示例如圖3所示。

圖3 一次路由示例

1.5 電池估算

本系統(tǒng)設計采用鋰電池及電容供電，典型電壓為3.6～3.8 V，電路及微灌設備中元件除電磁閥外均采用3.3 V供電，因此電池可按電池容量(mAh)簡單估算。

zigBee設備搜索時延通常為30 ms，休眠激活時延為10～15 ms，活動設備信道接入時延為15 ms。假毆每1、4 h喚醒互聯(lián)網(wǎng)工作一次，設備的工作狀態(tài)可按如圖4及表1所示方式估算。

圖4 休眠模式

步驟活動時長平均電流能量/mAh1設備休眠1～4h1μA1．00×10-3～4．00×10-32沒備轉(zhuǎn)入活動模式55＂60ms50μA7．99×10-63采集、處理、存儲傳感器信息1ms5mA139×10-64設備處于接收模式執(zhí)行CCA700μs20mA3．89×10-65設備發(fā)送數(shù)據(jù)包550μs20mA3．06×10-66設備處于接收模式等待確認400μs20mA2．22×10-67設備返回休眠總能量消耗/mAh 約1．01×10-3～4．01×10-3

由圖4和表1可見，由于喚醒時間空比極低，對于終端節(jié)點來說，相比于喚醒時間，休眠時期電流對平均電流消耗有更明顯的影響。

1.6 發(fā)電優(yōu)化

隨著光伏技術(shù)的發(fā)展以及鋰電池生產(chǎn)成本的降低，通過使用太陽能及鋰電池充電系統(tǒng)，可以以不高的成本搭建供電系統(tǒng)，獲得比干電池更好的性能，并在使用壽命內(nèi)節(jié)約同硬件成本。

本設計選用最為成熟的18650電池，根據(jù)電解質(zhì)種類或電極材料、品牌等的不同，通常循環(huán)次數(shù)在500～2 000 次(特殊型號)間，以常見1 000 次循環(huán)為例，通過控制充放電起點延長電池壽命，如電量在80%～95%以下時開始充電。此值由具體應用環(huán)境的氣候條件、平均光照時間等確定，較高的起點減少因長期無光照致電力不足的可能，較低(通常不低于80%)的起點可減少循環(huán)次數(shù)。在電池與穩(wěn)壓芯片間設置大容量電容，提供緩沖，進一步提高供電效率。

2 硬件智能控制單元電路設計

智能控制單元是系統(tǒng)現(xiàn)場控制的關(guān)鍵，本設計采用TI CC2530作為主控芯片，具有低功耗、硬件支持廣泛、較低價格、通信性能優(yōu)越等特點，可直接使用PCB天線工作，同時支持放大器和SMA天線。電路設計框圖如圖5所示，包括ZigBee通信模塊，單片機，電磁閥控制電路，太陽能供電系統(tǒng)。無線通信模塊采用串口與單片機，在主站可根據(jù)需要選擇3G模塊實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。軟件開發(fā)環(huán)境為IAR，程序由C語言編寫。

圖5 硬件框圖

在我國西北部 ，由于現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，普遍存在太陽能電池板被沙塵、積雪等覆蓋，在工作一段時間以后，發(fā)電效率大幅下降，在本系統(tǒng)中，如因為灰塵或積雪的積累導致充電能力逐漸下降，則會可能導致無法達到預期免維護效果。因此，本設計考慮以圓柱形透明外殼+垂直排列薄膜柔性太陽能電池，或球形外殼+斜置太陽能電池抵消此類灰塵積累造成的發(fā)電下降。由于路由器不支持休眠，因此為路由器設置較大的太陽能電池以保證系統(tǒng)狀態(tài)正常。

應用環(huán)境中常見的條件還包括溫度變化，為保證鋰電池的安全和活性，通常應避免溫度范圍超過-10 ℃～+50 ℃范圍?？筛鶕?jù)應用地點具體情況，將電路板及鋰電池放置在如圖6所示兩個位置(1、2位置)。對于夏季炎熱地區(qū)．可考慮偏向于中部位置，寒冷地區(qū)可考慮偏向于埋入地表以下并包裹于保溫材料中。

圖6 路由及終端設備結(jié)構(gòu)

在設備下端設置由脈沖驅(qū)動的電磁閥，較大的緩沖電容由太陽能電池充電，可直接驅(qū)動電磁閥，進一步降低功耗。

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用多項措施綜合改進，能夠?qū)χ行恼景l(fā)送的控制指令進行準確的控制。節(jié)點定時地睡眠和喚醒，能夠有效降低功耗，基本達到長期免維護。

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