ZigBee的远程低功耗灌溉控制系统设计

消息类型域，其长度为1个字节。应用中设置成表1消息类型域，其长度为1个字节。应用中设置成表1中的某值。

控制消息域，其长度根据具体农田里的终端个数决定，一个终端采用一个字节，其中每两位为一个电磁阀的控制信息，应用中应设置成表2所列的值。

3．1．2 下位机向上位机发送数据消息
上位机向下位机发送控制指令后，下位机将会向上位机发送相应的回复信息，以告诉上位机下位机对所发送指令的执行情况，这种信息包括两类：第一类是上位机发送完控制指令后，下位机收到指令的一个确认状态回复，其消息类型值见表1；第二类消息是下位机对上位机发送的控制指令执行后的电磁阀信息，电磁阀的状态信息格式如下。

其消息类型见表1。字节2以后的字节表示电池阀的状态，每一个字节表示一个终端节点，其中低4位为电磁阀状态。由于ZigBee协调器节点可能没有收到终端采集到的电磁阀状态数据，所以用第4位来表示低4位是否为电磁阀状态，1为是，0为不是。

3．1．3 ZigBee网络通信协议设计
(1)ZigBee协调器消息处理
ZigBee协调器通过UART接口从短信模块中读取短信的内容后，将其保存在ZigBee协调器中，等待ZigBee终端醒来后发送询问消息。如果询问后ZigBee协调器保留了控制消息，那么ZigBee协调器将保存的控制指令以广播的形式发送出去，如果终端询问过后ZigBee协调器没有控制指令，那么ZigBee协调器将发送无控制消息到ZigBee终端。
ZigBee协调器发送数据后等待ZigBee终端回复确认信息，其信息格式如下。

其消息类型域取值见表1。协调器收到ZigBee终端的回复消息后，将该节点号所对应的字节的控制消息全部位置0，使下次广播控制指令后，该终端节点不会采取相应动作。
当ZigBee协调器发送完控制消息后，等待接收终端电磁阀的状态，ZigBee协调器收到所有ZigBee终端的电磁阀状态信息或者等待时间超时后，向上位机发送已接收到的电磁阀信息。
ZigBee协调器的消息处理流程如图5所示。

(2)ZigBee终端消息处理
由于ZigBee终端是完全由电池供电，所以ZigBee终端必须定时睡眠来节约能量，使终端工作时间可以尽可能地长。因此，ZigBee协调器收到控制信息后不可能直接发送给终端，必须先存储，ZigBee终端为了获得控制消息，在醒来后必须向协调器发送询问消息，使ZigBee协调器发送控制消息。
ZigBee终端收到ZigBee协调器发送来的控制指令后，向ZigBee协调器发送确认消息，使ZigBee协调器更改相应的节点状态，避免重复发送控制指令到ZigBee终端，增加ZigBee终端的负担。
ZigBee终端收到控制信息后，获取本节点的控制信息，判断是否有控制信息。如果有控制信息，为了使ZigBee终端的电磁阀中的电机不出现卡死的现象，ZigBee终端必须判断当前的控制状态是否和电磁阀当前的状态相同。如果相同，则对电磁阀不采取任何控制动作；如果不同，则根据控制信息对电磁阀采取相应的控制。对控制信息进行判断后，为了使电磁阀对控制信息有充分的反应时间，延时1 s采集电磁阀的控制信息，然后将其传送到ZigBee协调器，其处理流程图6所示。

回复到ZigBee协调器的电磁阀的状态信息的消息格式如下。

其中消息类型域的值见表2。电磁阀状态域低4位存放电磁阀的状态，每一位存放一个电磁阀的状态。
3．2 低功耗与同步设计
由于ZigBee终端节点是采用电池供电，所以ZigBee终端节点必须定时地休眠和唤醒以节约能量，使电池的供电时间更长。如果本系统的ZigBee网络采用网状结构和树状结构，那么路由器节点必须在非路由器节点之前醒来，这样必然会增加系统的控制难度，最糟糕的情况下可
能会使整个系统无法控制，并且可能使终端节点不定期的掉线。所以本系统采用星型网络，终端节点直接和协调器节点交互信息。
3．2．1 ZigBee节点同步
ZigBee节点之间的误差主要是传输延时和节点之间的时钟误差。
(1)节点时钟误差测量
ZigBee协调器节点先发送广播数据包，其中带有协调器节点下一次发送数据包的时间T1。节点收到数据包后，启动定时器等待接收Zig Bee协调器下次发送数据，当ZigBee终端节点收到下一次同步数据后，读取定时器的时间为T2，所以时钟偏移误差为：a=(T2-T1)／T1。
(2)延时误差
ZigBee终端节点向ZigBee协调器节点发送同步信息，ZigBee协调器收到同步信息后回复一个同步信息到ZigBee终端，ZigBee终端收到此回复信息的时间为T3。假设传输的延时一样，为T4，则T4=(1+a)×T3／2。
3．2．2 ZigBee终端节点睡眠
当ZigBee协调器接收到所有节点的状态回复后，广播一个睡眠消息到ZigBee终端，消息中加入睡眠的时间T5，ZigBee终端收到此时间后，开始睡眠，其睡眠时间为T5-T4-a×(T5-T4)。节点醒来后，再延时1 s发送询问消息到协调器，获得控制消息。

结语
本系统经过现场调试，能够对上位机发送的控制指令进行准确的控制。节点定时地睡眠和苏醒，能够有效地节约电量，两节干电池能够工作6个月到两年，为系统在农田这种无电源供电场合提供保障。采用同步算法和一些辅助措施，使系统能够在同一时间苏醒、同一时间睡眠，ZigBee终端节点同一时间接收到ZigBee协调器广播控制指令数据包的概率在90％以上，更加节约能源。