基于ZigBee无线传感网络的节水灌溉系统设计

以太网在使用双绞线的情况下最多只能传输100 m，网络接入点一般会在距数据处理中心数公里以外的距离，远不能达到设计要求。因此，设计了一种光纤以太网接口，使其能够适应较远距离的传输。本系统采用的方案为，通过S3C2440驱动DM9000-1O／100M自适应网卡芯片，经网络隔离变压器匹配输出，再由隔离变压器匹配输入给IP113A实现以太网光纤信号转换，最后经由光纤收发模块进行光信号传输，其结构图如图4所示。

图4 以太网光纤信号转换模块

　　数据采集站与传输基站在电路设计上是相同的，只是在软件上有所区别，其电路主要包括ZigBee无线模块、与湿度传感器间通信的串口模块、防止程序出现异常的看门狗模块以及供电模块等。

　　3 系统软件部分设计

　　为了满足大面积覆盖的需求，本系统采用MESH型与星型相结合的混合型网络拓扑结构，即底层采用星型网络，上层采用MESH型网络，两者在管理上是相互独立的。

　　在底层，传输基站定时T s，以广播的形式向其管辖区域内的数据采集站发送传输基站数据请求帧；数据采集站收到请求帧后，会将采集到的数据通过采集站数据帧将数据上传给传输基站；传输基站收到数据后，将采集上来的数据进行滤波和数据融合，并对长时间没有响应的数据采集站的ID进行记录；在收到数据处理中心发出的数据中心数据请求帧后，传输基站将处理好的数据上传给数据处理中心。

　　数据处理中心与传输基站的数据传输采用的是轮询方式，它会根据需要，在一定的时间内以单点广播的方式，对网络中的传输基站发送数据处理中心数据请求帧，传输基站收到针对自己的数据请求帧后，按照一定的路由方式上传数据。当需要修改数据传输参数时(如定时发送时间间隔)，可通过控制帧进行设定，传输基站收到后会将修改的值发送给数据处理中心进行确认。图5和图6分别表示传输基站模型和网络拓扑结构。

图5 传输基站模型

图6 网络拓扑结构

　　对于无线通信网络来说，通信协议不仅可以保证网络的可靠通信，还可以大大提高网络的通信效率，节省能耗。由于智能节水灌溉系统所监测的参数具有缓慢变化的特性，因此本系统的通信协议采用“询问-应答”方式，采用这种方式不仅可以避免数据并发所造成的通信阻塞，还可以很好地对应答节点进行有效的监控，及时发现故障节点并进行维修。图7为系统的通信协议框架。

图7 通信协议框架

　　本系统在顶层采用的是节点分布比较规则的MESH型网络拓扑，其中数据处理中心相当于sink节点，目标传输基站相当于source节点，且节点的位置是已知的。可以将MESH网络分割成若干个簇，每个簇拥有一个簇头节点与sink节点直接相邻，当sink节点广播Interest时，簇头节点根据目标source节点的簇头信息，有选择性地进行广播，这样就可以避免一个Interest在全网段广播造成的能量浪费。

　　4 系统测试与结论

　　经过实际的测试，完全可以满足系统在功能方面的需求，在对ZigBee模块的无线收发与网络传输可靠性的测试中取得了比较理想的结果。

　　(1)通过使用TI公司的SmartRFStudio信号测试软件，CC2430在最强发射功率条件下，在室外晴朗的环境下测得收发距离在50 m以上，如图8所示。

图8 接收信号强度与距离曲线

　　(2)使用Linux下的Hping指令对数据处理中心的网络部分进行测试，连续7天无故障运行，同时在使用Hping-flood，即网络最大数据流量对其进行测试时，仍可正常工作。

　　整个系统设计还需要在ARM处理器上进行应用级数据融合算法设计，另外需要对上位机远程监测界面进行设计以及在农田现场进行调试工作。

参考文献:

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