摘要：設計一套基于ZigBee和GSM遠程無線控制系統(tǒng)，對農田里的滴灌系統(tǒng)進行遠程控制。設計了上位機和農田中的ZigBee協調器，ZigBee協調器與ZigBee終端傳輸消息來對灌溉系統(tǒng)進行安全有效的控制。采用適合于ZigBee星型網絡的時間同步算法，滿足ZigBee節(jié)點的同步休眠與喚醒的需要。設計相應的電磁閥控制策略對電磁閥進行安全有效的控制。
關鍵詞：ZigBee；時間同步；休眠；無線遙控灌溉控制；低功耗

引言
    本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的滴水灌溉系統(tǒng)基礎上，在農田中采用ZigBee自組網網絡進行信息的傳輸，不用在農田中布置通信線路；遠程數據的傳輸采用GSM網絡，不需要額外地布置通信設備，減少了農田灌溉的成本，增加了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)采用具有低功耗特性的ZigBee無線自組網單片機，采用兩節(jié)干電池供電，節(jié)約對能源的消耗。農田中的無線傳感網絡可以實時地采集灌溉系統(tǒng)的運行狀況，將其傳輸到遠程的監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員實時遠程控制灌溉，極大地節(jié)省了勞動力，提高了工作效率，增加了農民的收入。

1 系統(tǒng)總體設計
    農田種植面積大，地塊分散，這就決定了采集系統(tǒng)應具有如下兩個主要特點：一是系統(tǒng)控制節(jié)點多；二是系統(tǒng)是一個覆蓋面很廣的通信網絡(采集點具有分散性)。基于上述特點，系統(tǒng)設計為分布式體系結構，主要包含農田監(jiān)控終端和監(jiān)控管理中心兩個模塊，而農田監(jiān)控終端由于功能的不同又分為ZigBee終端和ZigBee協調器(與上位機交互的終端)。基于上述分析本系統(tǒng)采用ZigBee技術和GSM技實現系統(tǒng)網絡的組件和數據的傳輸。其系統(tǒng)結構如圖1所示。

    遠程的監(jiān)控管理中心通過GSM網絡發(fā)送控制指令到農田中的ZigBee協調器，ZigBee協調器收到控制指令后，將其轉發(fā)到ZigBee終端，以實現對灌溉系統(tǒng)的控制。首先監(jiān)控管理中心的計算機通過RS232接口向GSM無線通信設備PTM100發(fā)送AT命令，PTM100以短消息形式通過GSM網絡把控制命令發(fā)送到農田ZigBee協調器，ZigBee協調器根據監(jiān)控管理中心發(fā)送的控制命令，向相應的終端發(fā)送控制命令，控制電磁閥的關斷，Zig Bee終端采集電磁閥的狀態(tài)通過無線網絡傳輸到ZigBee協調器，再通過GSM網絡將電磁閥的狀態(tài)傳輸到數據終端。

2 系統(tǒng)硬件設計
    根據系統(tǒng)功能的要求，系統(tǒng)的硬件電路分為太陽能充電電路、CC2530供電電路、電磁閥驅動電路。
2．1 太陽能充電電路
    由于ZigBee協調器不能睡眠而且加入了GSM模塊，ZigBee協調器耗電量比較大，因此ZigBee協調器必須采用太陽能電池板供給電池充電。其充電電路如2所示。

    太陽能電池板接在J1處，CN3082是一塊太陽能充電管理芯片。當輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值時，CN3082開始對電池充電，在預充電狀態(tài)和恒流充電狀態(tài)，引腳輸出低電平，表示充電正在進行。如果電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓低于1．54 V，充電器處于預充電狀態(tài)，充電電流為所設置的恒流充電電流的20％。電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓大于1．54 V且小于2．445 V時，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流由電阻R1確定。當電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓大于2．445 V時，CN3082處于維持充電狀態(tài)，維持充電電流由輸入電壓VIN、R2和R1決定。在維持充電狀態(tài)，當電池電壓反饋輸入端FB引腳電壓下降到1．65 V時，CN3082將開始新的充電周期，進入預充電狀態(tài)或者恒流充電狀態(tài)。
2．2 CC2530供電電路
    由于CC2530的供電電壓為2～3．6 V，而充電電池的輸出電壓為3．7 V，因此用充電電池供電的CC2530供電電路必須經過一個線性穩(wěn)壓電路，使其輸出電壓變?yōu)?～3．6 V，電路如圖3所示。其中CAT6219—330是一塊輸出電流最大為500 mA、輸出電壓為3．3 V的線性穩(wěn)壓器件，EN端為輸入使能端，高電平時輸入有效。為了提高瞬態(tài)響應，在5腳加一個2．2μF的旁路電容，為了提高電壓抑制比和減少輸出電壓的噪聲，在4腳處接一個0．01μF的旁路電容。

2．3 電磁閥驅動電路
    由于CC2530的驅動電路很小，不能驅動電磁閥里面的電機，使電磁閥關斷，所以必須在CC2530的I／O和電機之間加上驅動電路來驅動電機，其電路圖如圖4所示。

    J2接電磁閥的輸入端，L7010為電機驅動模塊，其工作電壓最低可以達到1．8 V，持續(xù)驅動電流達1 A，尖峰工作電流可以達到2 A，并且可以方便地控制電機的正反轉，其中VM為電機電源，VCC為芯片電源。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 系統(tǒng)控制協議設計
3．1．1 上位機向下位機發(fā)送控制消息
    由于上位機發(fā)送指令時，是通過手機短信發(fā)送出去的，并且由于垃圾短信的存在，終端難免會收到一些和控制無關的指令，因此當解析短信中的控制指令時，必然會使一些短信無法解析或者解析出錯誤的控制信息。不能解析出控制指令會使程序出現運行錯誤，使整個系統(tǒng)癱瘓；而解析出錯誤的控制指令將使電磁閥出現誤動作，影響控制效果。因此，為了保證系統(tǒng)的安全性和健壯性，必須設計相應的協議。為了區(qū)分控制信息和非控制信息，必須有一個標志來加以區(qū)分，本文采用一個字節(jié)表示消息類型。每一個節(jié)點有4個電磁閥，所以采用一個字節(jié)可以描述一個電磁閥的控制信息。為了減少終端的控制和命令解析的難度，將此字節(jié)的剩下4位作為每一個電磁閥有無控制信息的標志。如果每一個節(jié)點都單獨發(fā)送一條控制短信，必然會加重系統(tǒng)的負擔，使電能消耗增加，所以本系統(tǒng)將所有節(jié)點的控制組合在一條短信中發(fā)送出去。其消息結構如下所示。

    消息類型域，其長度為1個字節(jié)。應用中設置成表1消息類型域，其長度為1個字節(jié)。應用中設置成表1中的某值。

    控制消息域，其長度根據具體農田里的終端個數決定，一個終端采用一個字節(jié)，其中每兩位為一個電磁閥的控制信息，應用中應設置成表2所列的值。

3．1．2 下位機向上位機發(fā)送數據消息
    上位機向下位機發(fā)送控制指令后，下位機將會向上位機發(fā)送相應的回復信息，以告訴上位機下位機對所發(fā)送指令的執(zhí)行情況，這種信息包括兩類：第一類是上位機發(fā)送完控制指令后，下位機收到指令的一個確認狀態(tài)回復，其消息類型值見表1；第二類消息是下位機對上位機發(fā)送的控制指令執(zhí)行后的電磁閥信息，電磁閥的狀態(tài)信息格式如下。

    其消息類型見表1。字節(jié)2以后的字節(jié)表示電池閥的狀態(tài)，每一個字節(jié)表示一個終端節(jié)點，其中低4位為電磁閥狀態(tài)。由于ZigBee協調器節(jié)點可能沒有收到終端采集到的電磁閥狀態(tài)數據，所以用第4位來表示低4位是否為電磁閥狀態(tài)，1為是，0為不是。

3．1．3 ZigBee網絡通信協議設計
    (1)ZigBee協調器消息處理
    ZigBee協調器通過UART接口從短信模塊中讀取短信的內容后，將其保存在ZigBee協調器中，等待ZigBee終端醒來后發(fā)送詢問消息。如果詢問后ZigBee協調器保留了控制消息，那么ZigBee協調器將保存的控制指令以廣播的形式發(fā)送出去，如果終端詢問過后ZigBee協調器沒有控制指令，那么ZigBee協調器將發(fā)送無控制消息到ZigBee終端。
    ZigBee協調器發(fā)送數據后等待ZigBee終端回復確認信息，其信息格式如下。

    其消息類型域取值見表1。協調器收到ZigBee終端的回復消息后，將該節(jié)點號所對應的字節(jié)的控制消息全部位置0，使下次廣播控制指令后，該終端節(jié)點不會采取相應動作。
    當ZigBee協調器發(fā)送完控制消息后，等待接收終端電磁閥的狀態(tài)，ZigBee協調器收到所有ZigBee終端的電磁閥狀態(tài)信息或者等待時間超時后，向上位機發(fā)送已接收到的電磁閥信息。
    ZigBee協調器的消息處理流程如圖5所示。

    (2)ZigBee終端消息處理
    由于ZigBee終端是完全由電池供電，所以ZigBee終端必須定時睡眠來節(jié)約能量，使終端工作時間可以盡可能地長。因此，ZigBee協調器收到控制信息后不可能直接發(fā)送給終端，必須先存儲，ZigBee終端為了獲得控制消息，在醒來后必須向協調器發(fā)送詢問消息，使ZigBee協調器發(fā)送控制消息。
    ZigBee終端收到ZigBee協調器發(fā)送來的控制指令后，向ZigBee協調器發(fā)送確認消息，使ZigBee協調器更改相應的節(jié)點狀態(tài)，避免重復發(fā)送控制指令到ZigBee終端，增加ZigBee終端的負擔。
    ZigBee終端收到控制信息后，獲取本節(jié)點的控制信息，判斷是否有控制信息。如果有控制信息，為了使ZigBee終端的電磁閥中的電機不出現卡死的現象，ZigBee終端必須判斷當前的控制狀態(tài)是否和電磁閥當前的狀態(tài)相同。如果相同，則對電磁閥不采取任何控制動作；如果不同，則根據控制信息對電磁閥采取相應的控制。對控制信息進行判斷后，為了使電磁閥對控制信息有充分的反應時間，延時1 s采集電磁閥的控制信息，然后將其傳送到ZigBee協調器，其處理流程圖6所示。

    回復到ZigBee協調器的電磁閥的狀態(tài)信息的消息格式如下。

    其中消息類型域的值見表2。電磁閥狀態(tài)域低4位存放電磁閥的狀態(tài)，每一位存放一個電磁閥的狀態(tài)。
3．2 低功耗與同步設計
    由于ZigBee終端節(jié)點是采用電池供電，所以ZigBee終端節(jié)點必須定時地休眠和喚醒以節(jié)約能量，使電池的供電時間更長。如果本系統(tǒng)的ZigBee網絡采用網狀結構和樹狀結構，那么路由器節(jié)點必須在非路由器節(jié)點之前醒來，這樣必然會增加系統(tǒng)的控制難度，最糟糕的情況下可
能會使整個系統(tǒng)無法控制，并且可能使終端節(jié)點不定期的掉線。所以本系統(tǒng)采用星型網絡，終端節(jié)點直接和協調器節(jié)點交互信息。
3．2．1 ZigBee節(jié)點同步
    ZigBee節(jié)點之間的誤差主要是傳輸延時和節(jié)點之間的時鐘誤差。
    (1)節(jié)點時鐘誤差測量
    ZigBee協調器節(jié)點先發(fā)送廣播數據包，其中帶有協調器節(jié)點下一次發(fā)送數據包的時間T1。節(jié)點收到數據包后，啟動定時器等待接收Zig Bee協調器下次發(fā)送數據，當ZigBee終端節(jié)點收到下一次同步數據后，讀取定時器的時間為T2，所以時鐘偏移誤差為：a=(T2-T1)／T1。
    (2)延時誤差
    ZigBee終端節(jié)點向ZigBee協調器節(jié)點發(fā)送同步信息，ZigBee協調器收到同步信息后回復一個同步信息到ZigBee終端，ZigBee終端收到此回復信息的時間為T3。假設傳輸的延時一樣，為T4，則T4=(1+a)×T3／2。
3．2．2 ZigBee終端節(jié)點睡眠
    當ZigBee協調器接收到所有節(jié)點的狀態(tài)回復后，廣播一個睡眠消息到ZigBee終端，消息中加入睡眠的時間T5，ZigBee終端收到此時間后，開始睡眠，其睡眠時間為T5-T4-a×(T5-T4)。節(jié)點醒來后，再延時1 s發(fā)送詢問消息到協調器，獲得控制消息。

結語
    本系統(tǒng)經過現場調試，能夠對上位機發(fā)送的控制指令進行準確的控制。節(jié)點定時地睡眠和蘇醒，能夠有效地節(jié)約電量，兩節(jié)干電池能夠工作6個月到兩年，為系統(tǒng)在農田這種無電源供電場合提供保障。采用同步算法和一些輔助措施，使系統(tǒng)能夠在同一時間蘇醒、同一時間睡眠，ZigBee終端節(jié)點同一時間接收到ZigBee協調器廣播控制指令數據包的概率在90％以上，更加節(jié)約能源。