基于ZigBee無線傳感網絡的節水灌溉系統設計

　　2．2 數據處理中心整體結構

　　數據處理中心主要由核心處理器、ZigBee無線通信模塊、GPRS接口模塊、存儲模塊以及以太網光纖轉換模塊等組成。其整體原理圖如圖3所示。

圖3 數據處理中心原理圖

　　數據處理中心的主控制芯片采用的是基于ARM920T架構的S3C2440處理器，該處理器是一款應用于手持移動通訊設備的32 b RISC微處理器。在本系統中，S3C2440主要負責對整個系統內的傳感器數據進行匯集、存儲、運算并將運算結果轉換成TCP／IP協議的光纖信號接入到In-ternet中或者通過串口與GPRS模塊通信以實現數據的遠端傳輸。

　　2．3 其他硬件電路設計

　　S3C2440在接收到CC2430模塊發送來的數據后，需要對其進行分類存儲，以備在歷史數據查詢時使用。本系統采用S3C2440來驅動FLASH存儲設備SD卡的讀寫，S3C2440具有專用的引腳通過SDIO模式來驅動SD卡，使用起來十分方便。GPRS模塊的接口設計相對來說比較簡單，S3C 2440的串口2通過MAX3232將TTL電平傳換成RS 232電平后即可與GPRS模塊相連。

　　由于農場環境的特殊性，不可能為每個ZigBee節點進行單獨供電，因此本系統采用太陽能電池與普通干電池相結合的方式為其提供電源，在太陽能電池電量充足的時候，采用太陽能電池供電，當太陽能電池電量不足或者出現故障時切換到干電池端，利用干電池進行供電。

　　由于基于IEEE 802．3標準的以太網在使用雙絞線的情況下最多只能傳輸100 m，網絡接入點一般會在距數據處理中心數公里以外的距離，遠不能達到設計要求。因此，設計了一種光纖以太網接口，使其能夠適應較遠距離的傳輸。本系統采用的方案為，通過S3C2440驅動DM9000-1O／100M自適應網卡芯片，經網絡隔離變壓器匹配輸出，再由隔離變壓器匹配輸入給IP113A實現以太網光纖信號轉換，最后經由光纖收發模塊進行光信號傳輸，其結構圖如圖4所示。

圖4 以太網光纖信號轉換模塊

　　數據采集站與傳輸基站在電路設計上是相同的，只是在軟件上有所區別，其電路主要包括ZigBee無線模塊、與濕度傳感器間通信的串口模塊、防止程序出現異常的看門狗模塊以及供電模塊等。

　　3 系統軟件部分設計

　　為了滿足大面積覆蓋的需求，本系統采用MESH型與星型相結合的混合型網絡拓撲結構，即底層采用星型網絡，上層采用MESH型網絡，兩者在管理上是相互獨立的。

　　在底層，傳輸基站定時T s，以廣播的形式向其管轄區域內的數據采集站發送傳輸基站數據請求幀；數據采集站收到請求幀后，會將采集到的數據通過采集站數據幀將數據上傳給傳輸基站；傳輸基站收到數據后，將采集上來的數據進行濾波和數據融合，并對長時間沒有響應的數據采集站的ID進行記錄；在收到數據處理中心發出的數據中心數據請求幀后，傳輸基站將處理好的數據上傳給數據處理中心。

　　數據處理中心與傳輸基站的數據傳輸采用的是輪詢方式，它會根據需要，在一定的時間內以單點廣播的方式，對網絡中的傳輸基站發送數據處理中心數據請求幀，傳輸基站收到針對自己的數據請求幀后，按照一定的路由方式上傳數據。當需要修改數據傳輸參數時(如定時發送時間間隔)，可通過控制幀進行設定，傳輸基站收到后會將修改的值發送給數據處理中心進行確認。圖5和圖6分別表示傳輸基站模型和網絡拓撲結構。

圖5 傳輸基站模型

圖6 網絡拓撲結構

　　對于無線通信網絡來說，通信協議不僅可以保證網絡的可靠通信，還可以大大提高網絡的通信效率，節省能耗。由于智能節水灌溉系統所監測的參數具有緩慢變化的特性，因此本系統的通信協議采用“詢問-應答”方式，采用這種方式不僅可以避免數據并發所造成的通信阻塞，還可以很好地對應答節點進行有效的監控，及時發現故障節點并進行維修。圖7為系統的通信協議框架。