一种基于ZigBee技术的无线低功耗微灌系统设计

夏 勇

(长江工程职业技术学院， 武汉 430212)

0 引 言

我国是个缺水的国家，水资源分布不平衡。在干旱缺水的地区，水资源紧缺更加严重。而且由于技术、管理水平落后,导致灌溉用水浪费也十分严重,农业灌溉用水的利用率仅为40%。微灌技术能够实现农作物的精准灌溉，提高水的利用效率，研究智能微灌技术可有效解决干旱、缺水地区的灌溉问题，实现农业的可持续发展。如果根据监测土壤的信息,实时控制灌溉时机和水量,可以有效提高用水效率。因此,设计一种应用系统,通过应用低功耗ZigBee技术，降低灌溉的人工成本，提高效率，同时可不依赖于移动网络覆盖独立运行,实现土壤信息的连续在线监测系统就是本设计的思想。

本系统设计应用于较为偏远的灌溉地区系统，以ZigBee无线通信系统为基础，通过应用低功耗ZjgBee技术，研究智能微灌解决方案。为实现最低的运行成本，最大程度减少甚至达到完全免维护，需要研究周期内达到发电能力与电力消耗的平衡。本设计从发电及耗电两方面进行优化，系统以ZigBee无线通信系统为基础，研究智能微灌解决方案，通过优化网络拓扑结构，设置可充电电池及缓冲电容、针对灰尘积累问题设计特型太阳能电池、整体设计均采用低功耗元件等措施降低系统功耗，达到系统运行接近免维护的目的。

1 系统设计及实现

1.1 ZigBee技术

ZigBee技术则是一种新型的短距离双向无线传输技术，满足了无线传感器网络的组网要求。ZigBee技术是为低数据速率、短距离无线网络通信定义的一系列通信协议标准。基于zigBee的无线设备工作在868，915 MHz和2.4 GHz频带。其最大数据速率是250 kbps。

ZigBce技术主要针对以电池为电源的应用，这些应用对低数据速率、低成本、更长时间的电池寿命有较高的需求。

ZigBee标准采用IEEE 802.15.4标准作为其为其PHY层和MAC层协议。遵循ZigBee的设备，也同样遵循IEEE 802.15.4标准。其网络结构为指定的两种拓扑之一：星型或点对点型，IEEE 802.15.4无线网络中有两种设备类型：全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。FFD可以执行IEEE 802.15.4标准中描述的所有功能，可扮演网络中的所有角色：协调器、PAN协调器和普通设备。协调器是FFD设备，能够中继消息，如果协调器同样也是区域网络的主控制器，称为PAN协调器，如果不作为协调器称为普通设备。RFD只有部分功能，RED只能和FFD设备通信。一个网络总是由一个PAN协调器所创建，PAN协调器为网络选择一个在其覆盖范围内唯一的PAN标识符，为网络中的每一个设备分配一个唯一地址，初始化、终止、转发网络中的消息。

1.2 系统结构设计

农业种植，尤其偏远地区，面积大，地理位置较为分散，因此系统需要覆盖很大的范围。由于在偏远地区移动网络(GSM等)覆盖较为不全，通常只有靠近村庄、公路等位置才有较好覆盖，因此本设计以中心站有GSM网络为条件，在中心站设置GSM收发器，其余设备均采用ZigBee技术，由无线传感节点(RFD)、无线路由节点(FFD)、中心协调器部分组成,通过ZigBee自组网。每个传感节点通过温湿度传感器,自动采集土壤信息,并结合预设的湿度上下限进行分析,判断是否需要灌溉及何时停止。每个节点通过太阳能电池供电,电池电压被随时监控,一旦电压过低,节点会发出电压过低的报警信号,发送成功后,节点进入睡眠状态直到电量充足。其中中心站协调器与路由器间距离在300 m～1.6 km终端设备与路由器距离≤300 m。总体结构如图1所示。

图1 网络结构

1.3 低功耗模式设计

根据微灌的应用特性，系统无需时时处于在线状态且需要传输的数据量通常较小(如向下传递开关指令、统一时钟信息，返同温度、湿度、设备正常标志、电量等)，在空闲时间将系统除中心站协调器及路由器以外所有终端设置在睡眠状态下，可节约绝大部分电力。

在ZigBee协议中，定义PMO(电源常通)----PM3(仅支持外部中断唤醒)四种电源模式，其中PM2以较低的功耗支持定时器唤醒．适合本系统设计。

对传感器节点加电后，执行初始化程序，为整个网络的形成做准备。由节点模块扫描整个网络，通过扫描频段选定信道。检查网络是否存在，入网后开启中断，启动定时器，系统进入休眠状态。检查节点是否有发送信息任务，没有信息则休眠。有信息则定时器产生溢出中断后系统被唤醒，处理器系统进入工作状态，读入传感器数据，按格式对数据进行封装并发送，发送成功进入休眠状态，等待再次被唤。节点模块要在固定的时间内扫描网络，以确保节点本身在网络中。这些软件设计使得传感器节点在使用过程中的功耗在很大程度上得到降低，达到低功耗的设计目的。传感器节点的软件设计流程如图2所示。

图2 流程图

1.4 拓扑结构及能效路由

在灌溉系统中，通常可认为中心站是接近于电网供电的，无需进行功耗考虑。而其他各个路由或终端均需要进行考量。在ZigBee NwK层中提供路由发现程序，可通过选择合适的路由机制避免劣质链接、降低长消息延迟同时延长网络寿命(从正常工作到第一个节点失效的时间)。例如，更接近于中心站的路由可能因传递更多的数据而工作更长时间或工作在更高的传输速率下,从而消耗更多的电力,本设计采用电源感知路由方式，将电池状态信息(包含于设备描述中的节点电源描述符中)纳入计算链接开销的考虑范围内,可以尽量使整个网络的电量平均。尽管总消耗可能稍高，但提供更大的可能渡过长期光照不足导致的部分电池完全耗尽，以至于电池不可逆损坏及网络完全断开或分裂。一次路由的示例如图3所示。

图3 一次路由示例

1.5 电池估算

本系统设计采用锂电池及电容供电，典型电压为3.6～3.8 V，电路及微灌设备中元件除电磁阀外均采用3.3 V供电，因此电池可按电池容量(mAh)简单估算。

zigBee设备搜索时延通常为30 ms，休眠激活时延为10～15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms。假殴每1、4 h唤醒互联网工作一次，设备的工作状态可按如图4及表1所示方式估算。

图4 休眠模式

步骤活动时长平均电流能量/mAh1设备休眠1～4h1μA1．00×10-3～4．00×10-32没备转入活动模式55＂60ms50μA7．99×10-63采集、处理、存储传感器信息1ms5mA139×10-64设备处于接收模式执行CCA700μs20mA3．89×10-65设备发送数据包550μs20mA3．06×10-66设备处于接收模式等待确认400μs20mA2．22×10-67设备返回休眠总能量消耗/mAh 约1．01×10-3～4．01×10-3

由图4和表1可见，由于唤醒时间空比极低，对于终端节点来说，相比于唤醒时间，休眠时期电流对平均电流消耗有更明显的影响。

1.6 发电优化

随着光伏技术的发展以及锂电池生产成本的降低，通过使用太阳能及锂电池充电系统，可以以不高的成本搭建供电系统，获得比干电池更好的性能，并在使用寿命内节约同硬件成本。

本设计选用最为成熟的18650电池，根据电解质种类或电极材料、品牌等的不同，通常循环次数在500～2 000 次(特殊型号)间，以常见1 000 次循环为例，通过控制充放电起点延长电池寿命，如电量在80%～95%以下时开始充电。此值由具体应用环境的气候条件、平均光照时间等确定，较高的起点减少因长期无光照致电力不足的可能，较低(通常不低于80%)的起点可减少循环次数。在电池与稳压芯片间设置大容量电容，提供缓冲，进一步提高供电效率。

2 硬件智能控制单元电路设计

智能控制单元是系统现场控制的关键，本设计采用TI CC2530作为主控芯片，具有低功耗、硬件支持广泛、较低价格、通信性能优越等特点，可直接使用PCB天线工作，同时支持放大器和SMA天线。电路设计框图如图5所示，包括ZigBee通信模块，单片机，电磁阀控制电路，太阳能供电系统。无线通信模块采用串口与单片机，在主站可根据需要选择3G模块实现远距离数据传输。软件开发环境为IAR，程序由C语言编写。

图5 硬件框图

在我国西北部 ，由于现场环境较为恶劣，普遍存在太阳能电池板被沙尘、积雪等覆盖，在工作一段时间以后，发电效率大幅下降，在本系统中，如因为灰尘或积雪的积累导致充电能力逐渐下降，则会可能导致无法达到预期免维护效果。因此，本设计考虑以圆柱形透明外壳+垂直排列薄膜柔性太阳能电池，或球形外壳+斜置太阳能电池抵消此类灰尘积累造成的发电下降。由于路由器不支持休眠，因此为路由器设置较大的太阳能电池以保证系统状态正常。

应用环境中常见的条件还包括温度变化，为保证锂电池的安全和活性，通常应避免温度范围超过-10 ℃～+50 ℃范围。可根据应用地点具体情况，将电路板及锂电池放置在如图6所示两个位置(1、2位置)。对于夏季炎热地区．可考虑偏向于中部位置，寒冷地区可考虑偏向于埋入地表以下并包裹于保温材料中。

图6 路由及终端设备结构

在设备下端设置由脉冲驱动的电磁阀，较大的缓冲电容由太阳能电池充电，可直接驱动电磁阀，进一步降低功耗。

3 结 论

本系统采用多项措施综合改进，能够对中心站发送的控制指令进行准确的控制。节点定时地睡眠和唤醒，能够有效降低功耗，基本达到长期免维护。

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