ZigBee的远程低功耗灌溉控制系统设计

引言
本系统在传统的滴水灌溉系统基础上，在农田中采用ZigBee自组网网络进行信息的传输，不用在农田中布置通信线路；远程数据的传输采用GSM网络，不需要额外地布置通信设备，减少了农田灌溉的成本，增加了系统的安全性。系统采用具有低功耗特性的ZigBee无线自组网单片机，采用两节干电池供电，节约对能源的消耗。农田中的无线传感网络可以实时地采集灌溉系统的运行状况，将其传输到远程的监控系统，工作人员实时远程控制灌溉，极大地节省了劳动力，提高了工作效率，增加了农民的收入。

1 系统总体设计
农田种植面积大，地块分散，这就决定了采集系统应具有如下两个主要特点：一是系统控制节点多；二是系统是一个覆盖面很广的通信网络(采集点具有分散性)。基于上述特点，系统设计为分布式体系结构，主要包含农田监控终端和监控管理中心两个模块，而农田监控终端由于功能的不同又分为ZigBee终端和ZigBee协调器(与上位机交互的终端)。基于上述分析本系统采用ZigBee技术和GSM技实现系统网络的组件和数据的传输。其系统结构如图1所示。

远程的监控管理中心通过GSM网络发送控制指令到农田中的ZigBee协调器，ZigBee协调器收到控制指令后，将其转发到ZigBee终端，以实现对灌溉系统的控制。首先监控管理中心的计算机通过RS232接口向GSM无线通信设备PTM100发送AT命令，PTM100以短消息形式通过GSM网络把控制命令发送到农田ZigBee协调器，ZigBee协调器根据监控管理中心发送的控制命令，向相应的终端发送控制命令，控制电磁阀的关断，Zig Bee终端采集电磁阀的状态通过无线网络传输到ZigBee协调器，再通过GSM网络将电磁阀的状态传输到数据终端。

2 系统硬件设计
根据系统功能的要求，系统的硬件电路分为太阳能充电电路、CC2530供电电路、电磁阀驱动电路。
2．1 太阳能充电电路
由于ZigBee协调器不能睡眠而且加入了GSM模块，ZigBee协调器耗电量比较大，因此ZigBee协调器必须采用太阳能电池板供给电池充电。其充电电路如2所示。

太阳能电池板接在J1处，CN3082是一块太阳能充电管理芯片。当输入电压大于电源低电压检测阈值时，CN3082开始对电池充电，在预充电状态和恒流充电状态，引脚输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压反馈输入端FB引脚电压低于1．54 V，充电器处于预充电状态，充电电流为所设置的恒流充电电流的20％。电池电压反馈输入端FB引脚电压大于1．54 V且小于2．445 V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由电阻R1确定。当电池电压反馈输入端FB引脚电压大于2．445 V时，CN3082处于维持充电状态，维持充电电流由输入电压VIN、R2和R1决定。在维持充电状态，当电池电压反馈输入端FB引脚电压下降到1．65 V时，CN3082将开始新的充电周期，进入预充电状态或者恒流充电状态。
2．2 CC2530供电电路
由于CC2530的供电电压为2～3．6 V，而充电电池的输出电压为3．7 V，因此用充电电池供电的CC2530供电电路必须经过一个线性稳压电路，使其输出电压变为2～3．6 V，电路如图3所示。其中CAT6219—330是一块输出电流最大为500 mA、输出电压为3．3 V的线性稳压器件，EN端为输入使能端，高电平时输入有效。为了提高瞬态响应，在5脚加一个2．2μF的旁路电容，为了提高电压抑制比和减少输出电压的噪声，在4脚处接一个0．01μF的旁路电容。

2．3 电磁阀驱动电路
由于CC2530的驱动电路很小，不能驱动电磁阀里面的电机，使电磁阀关断，所以必须在CC2530的I／O和电机之间加上驱动电路来驱动电机，其电路图如图4所示。

J2接电磁阀的输入端，L7010为电机驱动模块，其工作电压最低可以达到1．8 V，持续驱动电流达1 A，尖峰工作电流可以达到2 A，并且可以方便地控制电机的正反转，其中VM为电机电源，VCC为芯片电源。

3 系统软件设计
3．1 系统控制协议设计
3．1．1 上位机向下位机发送控制消息
由于上位机发送指令时，是通过手机短信发送出去的，并且由于垃圾短信的存在，终端难免会收到一些和控制无关的指令，因此当解析短信中的控制指令时，必然会使一些短信无法解析或者解析出错误的控制信息。不能解析出控制指令会使程序出现运行错误，使整个系统瘫痪；而解析出错误的控制指令将使电磁阀出现误动作，影响控制效果。因此，为了保证系统的安全性和健壮性，必须设计相应的协议。为了区分控制信息和非控制信息，必须有一个标志来加以区分，本文采用一个字节表示消息类型。每一个节点有4个电磁阀，所以采用一个字节可以描述一个电磁阀的控制信息。为了减少终端的控制和命令解析的难度，将此字节的剩下4位作为每一个电磁阀有无控制信息的标志。如果每一个节点都单独发送一条控制短信，必然会加重系统的负担，使电能消耗增加，所以本系统将所有节点的控制组合在一条短信中发送出去。其消息结构如下所示。