一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線低功耗微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏 勇

(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 武漢 430212)

0 引 言

我國(guó)是個(gè)缺水的國(guó)家，水資源分布不平衡。在干旱缺水的地區(qū)，水資源緊缺更加嚴(yán)重。而且由于技術(shù)、管理水平落后,導(dǎo)致灌溉用水浪費(fèi)也十分嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率僅為40%。微灌技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)作物的精準(zhǔn)灌溉，提高水的利用效率，研究智能微灌技術(shù)可有效解決干旱、缺水地區(qū)的灌溉問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。如果根據(jù)監(jiān)測(cè)土壤的信息,實(shí)時(shí)控制灌溉時(shí)機(jī)和水量,可以有效提高用水效率。因此,設(shè)計(jì)一種應(yīng)用系統(tǒng),通過(guò)應(yīng)用低功耗ZigBee技術(shù)，降低灌溉的人工成本，提高效率，同時(shí)可不依賴(lài)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋獨(dú)立運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)土壤信息的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是本設(shè)計(jì)的思想。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用于較為偏遠(yuǎn)的灌溉地區(qū)系統(tǒng)，以ZigBee無(wú)線通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)應(yīng)用低功耗ZjgBee技術(shù)，研究智能微灌解決方案。為實(shí)現(xiàn)最低的運(yùn)行成本，最大程度減少甚至達(dá)到完全免維護(hù)，需要研究周期內(nèi)達(dá)到發(fā)電能力與電力消耗的平衡。本設(shè)計(jì)從發(fā)電及耗電兩方面進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)以ZigBee無(wú)線通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究智能微灌解決方案，通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置可充電電池及緩沖電容、針對(duì)灰塵積累問(wèn)題設(shè)計(jì)特型太陽(yáng)能電池、整體設(shè)計(jì)均采用低功耗元件等措施降低系統(tǒng)功耗，達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行接近免維護(hù)的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)則是一種新型的短距離雙向無(wú)線傳輸技術(shù)，滿足了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)要求。ZigBee技術(shù)是為低數(shù)據(jù)速率、短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信定義的一系列通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。基于zigBee的無(wú)線設(shè)備工作在868，915 MHz和2.4 GHz頻帶。其最大數(shù)據(jù)速率是250 kbps。

ZigBce技術(shù)主要針對(duì)以電池為電源的應(yīng)用，這些應(yīng)用對(duì)低數(shù)據(jù)速率、低成本、更長(zhǎng)時(shí)間的電池壽命有較高的需求。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為其為其PHY層和MAC層協(xié)議。遵循ZigBee的設(shè)備，也同樣遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為指定的兩種拓?fù)渲唬盒切突螯c(diǎn)對(duì)點(diǎn)型，IEEE 802.15.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中有兩種設(shè)備類(lèi)型：全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。FFD可以執(zhí)行IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中描述的所有功能，可扮演網(wǎng)絡(luò)中的所有角色：協(xié)調(diào)器、PAN協(xié)調(diào)器和普通設(shè)備。協(xié)調(diào)器是FFD設(shè)備，能夠中繼消息，如果協(xié)調(diào)器同樣也是區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的主控制器，稱(chēng)為PAN協(xié)調(diào)器，如果不作為協(xié)調(diào)器稱(chēng)為普通設(shè)備。RFD只有部分功能，RED只能和FFD設(shè)備通信。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)總是由一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器所創(chuàng)建，PAN協(xié)調(diào)器為網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)在其覆蓋范圍內(nèi)唯一的PAN標(biāo)識(shí)符，為網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備分配一個(gè)唯一地址，初始化、終止、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的消息。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)種植，尤其偏遠(yuǎn)地區(qū)，面積大，地理位置較為分散，因此系統(tǒng)需要覆蓋很大的范圍。由于在偏遠(yuǎn)地區(qū)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(GSM等)覆蓋較為不全，通常只有靠近村莊、公路等位置才有較好覆蓋，因此本設(shè)計(jì)以中心站有GSM網(wǎng)絡(luò)為條件，在中心站設(shè)置GSM收發(fā)器，其余設(shè)備均采用ZigBee技術(shù)，由無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)(RFD)、無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)(FFD)、中心協(xié)調(diào)器部分組成,通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫濕度傳感器,自動(dòng)采集土壤信息,并結(jié)合預(yù)設(shè)的濕度上下限進(jìn)行分析,判斷是否需要灌溉及何時(shí)停止。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)太陽(yáng)能電池供電,電池電壓被隨時(shí)監(jiān)控,一旦電壓過(guò)低,節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出電壓過(guò)低的報(bào)警信號(hào),發(fā)送成功后,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)直到電量充足。其中中心站協(xié)調(diào)器與路由器間距離在300 m～1.6 km終端設(shè)備與路由器距離≤300 m。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 低功耗模式設(shè)計(jì)

根據(jù)微灌的應(yīng)用特性，系統(tǒng)無(wú)需時(shí)時(shí)處于在線狀態(tài)且需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量通常較小(如向下傳遞開(kāi)關(guān)指令、統(tǒng)一時(shí)鐘信息，返同溫度、濕度、設(shè)備正常標(biāo)志、電量等)，在空閑時(shí)間將系統(tǒng)除中心站協(xié)調(diào)器及路由器以外所有終端設(shè)置在睡眠狀態(tài)下，可節(jié)約絕大部分電力。

在ZigBee協(xié)議中，定義PMO(電源常通)----PM3(僅支持外部中斷喚醒)四種電源模式，其中PM2以較低的功耗支持定時(shí)器喚醒．適合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)加電后，執(zhí)行初始化程序，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的形成做準(zhǔn)備。由節(jié)點(diǎn)模塊掃描整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)掃描頻段選定信道。檢查網(wǎng)絡(luò)是否存在，入網(wǎng)后開(kāi)啟中斷，啟動(dòng)定時(shí)器，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。檢查節(jié)點(diǎn)是否有發(fā)送信息任務(wù)，沒(méi)有信息則休眠。有信息則定時(shí)器產(chǎn)生溢出中斷后系統(tǒng)被喚醒，處理器系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，讀入傳感器數(shù)據(jù)，按格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并發(fā)送，發(fā)送成功進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待再次被喚。節(jié)點(diǎn)模塊要在固定的時(shí)間內(nèi)掃描網(wǎng)絡(luò)，以確保節(jié)點(diǎn)本身在網(wǎng)絡(luò)中。這些軟件設(shè)計(jì)使得傳感器節(jié)點(diǎn)在使用過(guò)程中的功耗在很大程度上得到降低，達(dá)到低功耗的設(shè)計(jì)目的。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 流程圖

1.4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及能效路由

在灌溉系統(tǒng)中，通常可認(rèn)為中心站是接近于電網(wǎng)供電的，無(wú)需進(jìn)行功耗考慮。而其他各個(gè)路由或終端均需要進(jìn)行考量。在ZigBee NwK層中提供路由發(fā)現(xiàn)程序，可通過(guò)選擇合適的路由機(jī)制避免劣質(zhì)鏈接、降低長(zhǎng)消息延遲同時(shí)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命(從正常工作到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效的時(shí)間)。例如，更接近于中心站的路由可能因傳遞更多的數(shù)據(jù)而工作更長(zhǎng)時(shí)間或工作在更高的傳輸速率下,從而消耗更多的電力,本設(shè)計(jì)采用電源感知路由方式，將電池狀態(tài)信息(包含于設(shè)備描述中的節(jié)點(diǎn)電源描述符中)納入計(jì)算鏈接開(kāi)銷(xiāo)的考慮范圍內(nèi),可以盡量使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電量平均。盡管總消耗可能稍高，但提供更大的可能渡過(guò)長(zhǎng)期光照不足導(dǎo)致的部分電池完全耗盡，以至于電池不可逆損壞及網(wǎng)絡(luò)完全斷開(kāi)或分裂。一次路由的示例如圖3所示。

圖3 一次路由示例

1.5 電池估算

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用鋰電池及電容供電，典型電壓為3.6～3.8 V，電路及微灌設(shè)備中元件除電磁閥外均采用3.3 V供電，因此電池可按電池容量(mAh)簡(jiǎn)單估算。

zigBee設(shè)備搜索時(shí)延通常為30 ms，休眠激活時(shí)延為10～15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms。假毆每1、4 h喚醒互聯(lián)網(wǎng)工作一次，設(shè)備的工作狀態(tài)可按如圖4及表1所示方式估算。

圖4 休眠模式

步驟活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)平均電流能量/mAh1設(shè)備休眠1～4h1μA1．00×10-3～4．00×10-32沒(méi)備轉(zhuǎn)入活動(dòng)模式55＂60ms50μA7．99×10-63采集、處理、存儲(chǔ)傳感器信息1ms5mA139×10-64設(shè)備處于接收模式執(zhí)行CCA700μs20mA3．89×10-65設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包550μs20mA3．06×10-66設(shè)備處于接收模式等待確認(rèn)400μs20mA2．22×10-67設(shè)備返回休眠總能量消耗/mAh 約1．01×10-3～4．01×10-3

由圖4和表1可見(jiàn)，由于喚醒時(shí)間空比極低，對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，相比于喚醒時(shí)間，休眠時(shí)期電流對(duì)平均電流消耗有更明顯的影響。

1.6 發(fā)電優(yōu)化

隨著光伏技術(shù)的發(fā)展以及鋰電池生產(chǎn)成本的降低，通過(guò)使用太陽(yáng)能及鋰電池充電系統(tǒng)，可以以不高的成本搭建供電系統(tǒng)，獲得比干電池更好的性能，并在使用壽命內(nèi)節(jié)約同硬件成本。

本設(shè)計(jì)選用最為成熟的18650電池，根據(jù)電解質(zhì)種類(lèi)或電極材料、品牌等的不同，通常循環(huán)次數(shù)在500～2 000 次(特殊型號(hào))間，以常見(jiàn)1 000 次循環(huán)為例，通過(guò)控制充放電起點(diǎn)延長(zhǎng)電池壽命，如電量在80%～95%以下時(shí)開(kāi)始充電。此值由具體應(yīng)用環(huán)境的氣候條件、平均光照時(shí)間等確定，較高的起點(diǎn)減少因長(zhǎng)期無(wú)光照致電力不足的可能，較低(通常不低于80%)的起點(diǎn)可減少循環(huán)次數(shù)。在電池與穩(wěn)壓芯片間設(shè)置大容量電容，提供緩沖，進(jìn)一步提高供電效率。

2 硬件智能控制單元電路設(shè)計(jì)

智能控制單元是系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)采用TI CC2530作為主控芯片，具有低功耗、硬件支持廣泛、較低價(jià)格、通信性能優(yōu)越等特點(diǎn)，可直接使用PCB天線工作，同時(shí)支持放大器和SMA天線。電路設(shè)計(jì)框圖如圖5所示，包括ZigBee通信模塊，單片機(jī)，電磁閥控制電路，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。無(wú)線通信模塊采用串口與單片機(jī)，在主站可根據(jù)需要選擇3G模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR，程序由C語(yǔ)言編寫(xiě)。

圖5 硬件框圖

在我國(guó)西北部 ，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，普遍存在太陽(yáng)能電池板被沙塵、積雪等覆蓋，在工作一段時(shí)間以后，發(fā)電效率大幅下降，在本系統(tǒng)中，如因?yàn)榛覊m或積雪的積累導(dǎo)致充電能力逐漸下降，則會(huì)可能導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到預(yù)期免維護(hù)效果。因此，本設(shè)計(jì)考慮以圓柱形透明外殼+垂直排列薄膜柔性太陽(yáng)能電池，或球形外殼+斜置太陽(yáng)能電池抵消此類(lèi)灰塵積累造成的發(fā)電下降。由于路由器不支持休眠，因此為路由器設(shè)置較大的太陽(yáng)能電池以保證系統(tǒng)狀態(tài)正常。

應(yīng)用環(huán)境中常見(jiàn)的條件還包括溫度變化，為保證鋰電池的安全和活性，通常應(yīng)避免溫度范圍超過(guò)-10 ℃～+50 ℃范圍。可根據(jù)應(yīng)用地點(diǎn)具體情況，將電路板及鋰電池放置在如圖6所示兩個(gè)位置(1、2位置)。對(duì)于夏季炎熱地區(qū)．可考慮偏向于中部位置，寒冷地區(qū)可考慮偏向于埋入地表以下并包裹于保溫材料中。

圖6 路由及終端設(shè)備結(jié)構(gòu)

在設(shè)備下端設(shè)置由脈沖驅(qū)動(dòng)的電磁閥，較大的緩沖電容由太陽(yáng)能電池充電，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，進(jìn)一步降低功耗。

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用多項(xiàng)措施綜合改進(jìn)，能夠?qū)χ行恼景l(fā)送的控制指令進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。節(jié)點(diǎn)定時(shí)地睡眠和喚醒，能夠有效降低功耗，基本達(dá)到長(zhǎng)期免維護(hù)。

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