基于Zigbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)部署后， 中心節(jié)點(diǎn)就要建立拓?fù)浔恚?并建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)的父子關(guān)系。拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)分為兩個(gè)階段， 首先是骨干網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)， 在此階段， 中心節(jié)點(diǎn)將自己的網(wǎng)絡(luò)級(jí)別設(shè)置為0級(jí)節(jié)點(diǎn)， 然后在中心節(jié)點(diǎn)廣播域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)均發(fā)送分組， 分組包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型和網(wǎng)絡(luò)級(jí)別， 當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)廣播域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)收到中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組后， 終端節(jié)點(diǎn)將忽略該分組信息， 全能節(jié)點(diǎn)則將自己的網(wǎng)絡(luò)級(jí)別設(shè)置為分組中的網(wǎng)絡(luò)級(jí)別加1， 即為第1級(jí)， 然后將自己的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型和網(wǎng)絡(luò)級(jí)別作為新的發(fā)現(xiàn)分組廣播出去。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到第i級(jí)節(jié)點(diǎn)的廣播分組后， 記錄發(fā)送這個(gè)廣播分組的節(jié)點(diǎn)的級(jí)別， 并設(shè)置自己的級(jí)別為(i+1)。這個(gè)過(guò)程將一直持續(xù)下去， 直到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)全能節(jié)點(diǎn)都具有一個(gè)級(jí)別。如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)建立了自己的級(jí)別，就忽略其它的級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組。第二階段是終端節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)。在此階段， 各個(gè)全能節(jié)點(diǎn)在自己的廣播區(qū)域內(nèi)向它所有的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組包， 終端節(jié)點(diǎn)收到分組后， 會(huì)設(shè)置自身為該全能節(jié)點(diǎn)的附屬節(jié)點(diǎn)， 并將自己的網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)送給全能節(jié)點(diǎn)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)建立好附屬級(jí)別后， 將忽略其他全能節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組。完成網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)后， 所有節(jié)點(diǎn)將把自身的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型和網(wǎng)絡(luò)級(jí)別發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)， 這樣， 中心節(jié)點(diǎn)就可以建立一張當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。此后， 當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)， 中心節(jié)點(diǎn)就可在網(wǎng)絡(luò)中尋找該節(jié)點(diǎn)并更新拓?fù)浔恚?并添加節(jié)點(diǎn)。而當(dāng)有節(jié)點(diǎn)刪除時(shí)， 中心節(jié)點(diǎn)也會(huì)更新拓?fù)浔恚?并刪除該節(jié)點(diǎn)。

4.4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

JN5121模塊可以采用KVP和MSG兩種數(shù)據(jù)包格式來(lái)傳輸數(shù)據(jù).本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)包格式為MSG格式， 即通過(guò)afdeDataRequest () 和JZA_u8AfMsgObject() 兩個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，其中afdeDataRequest () 函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送， JZA_u8AfMsgObject () 則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收，JZA_u8AfMsgObject ( ) 函數(shù)屬于BOS 系統(tǒng)中的Zigbee Task任務(wù)， 因此， 在BOS運(yùn)行期間， 系統(tǒng)會(huì)不斷查詢(xún)?nèi)蝿?wù)信息。當(dāng)接收到新數(shù)據(jù)時(shí)， 系統(tǒng)將調(diào)用JZA_u8AfMsgObject ( ) 函數(shù)， 并在JZA_u8AfMsgObject () 函數(shù)中對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和處理。

5 系統(tǒng)功耗控制

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)采用器件低功耗設(shè)計(jì)和精確的電源管理策略。其中器件低功耗設(shè)計(jì)主要是選擇低功耗器件， 并在空閑時(shí)， 通過(guò)軟件方式使器件進(jìn)入低功耗或休眠模式。精確的電源管理策略則是采用選擇供電的方式， 通過(guò)CPU來(lái)控制設(shè)備的供電時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是采用器件低功耗設(shè)計(jì)同時(shí)， 也根據(jù)節(jié)點(diǎn)需要完成功能， 來(lái)為節(jié)點(diǎn)制定精確的電源管理。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)為定時(shí)采集方式， 從而大大縮短了終端節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間， 使終端節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都處于低功耗或休眠模式， 本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)電池的工作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)12個(gè)月到24個(gè)月。但是， 全能節(jié)點(diǎn)必須一直處于工作狀態(tài)， 因此， 相對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)， 全能節(jié)點(diǎn)功耗比較高， 故應(yīng)盡量簡(jiǎn)化全能節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)， 并采用外部供電的方式， 由灌溉控制系統(tǒng)來(lái)為其供電。

6 系統(tǒng)調(diào)試

本文給出的基于Zigbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)組裝完畢后， 經(jīng)測(cè)試， 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。Zigbee無(wú)線通信系統(tǒng)的通信成功率達(dá)98. 392%， 土壤水分傳感器的采集精度可達(dá)1%。通過(guò)低功耗設(shè)計(jì)，其終端節(jié)點(diǎn)的待機(jī)電流大約為17μA， 工作電流大約為30mA。在一天24小時(shí)內(nèi)， 本系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)每60分鐘采集一次數(shù)據(jù)， 采集工作時(shí)間是17s（測(cè)試得到）， 系統(tǒng)在24小時(shí)內(nèi)工作0.113h， 待機(jī)23.887h， 理論功耗為(0.113×30 ＋ 0.017×23.887)3.796mAH。對(duì)于一節(jié)普通的800mAH的堿性電池， 其終端節(jié)點(diǎn)可以持續(xù)工作7個(gè)月。全能節(jié)點(diǎn)由灌溉區(qū)的灌溉控制系統(tǒng)供電， 可以保證全能節(jié)點(diǎn)全天持續(xù)工作。實(shí)際上， 系統(tǒng)持續(xù)工作時(shí)間取決于很多外部因素， 例如： 電池種類(lèi)、容量和應(yīng)用場(chǎng)合等。在實(shí)際應(yīng)用中， 合理配置終端節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間， 也可以提高節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了以JN5121模塊為核心， 基于Zigbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法， 同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)組建、數(shù)據(jù)通信和低功耗設(shè)計(jì)等問(wèn)題， 給出了詳細(xì)的解決方案， 并成功實(shí)現(xiàn)了WSN網(wǎng)絡(luò)的組建。實(shí)驗(yàn)證明，基于Zigbee的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)可以在很大程度上提高對(duì)農(nóng)業(yè)土壤墑情的監(jiān)控能力， 同時(shí)， 采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式， 也加強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。更有利于系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守工作， 并可省去人工操作， 從而可在真正意義上實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化。