?“節(jié)約用水，人人有責”，水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源。因此，推廣節(jié)水灌溉也已成為世界各國為緩解水資源危機和實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。本文提出一種基于ZigBee無線傳感器網絡的設計方案，并根據農田的特殊條件，設計出一套節(jié)水灌溉系統(tǒng)，避免了依附于其他通信網絡所產生的額外費用。

　　1 系統(tǒng)平臺整體設計方案

　　按照功能需求，硬件平臺共可分為以下五個部分：數據采集站，傳輸基站，數據處理中心，遠程監(jiān)測站以及電磁閥控制站。圖1為系統(tǒng)的硬件平臺結構圖。

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圖1 系統(tǒng)結構框圖

　　系統(tǒng)中各部分的功能與工作流程如下：首先根據農田的管道分布情況，以及ZigBee無線節(jié)點的有效通信距離，將灌溉區(qū)分割為數塊獨立的灌溉控制單元，在每個單元中設有一個或數個傳輸基站和若干分布在農田不同位置的數據采集站，數據采集站通過與其連接的傳感器采集土壤濕度參數，并將數據定時傳送給傳輸基站；傳輸基站負責管理其管轄區(qū)域內的各個數據采集站，當數據處理中心詢問數據時，傳輸基站將數據進行第一級融合后以Ad hoc的方式上傳給數據處理中心；數據處理中心首先對接收到的數據進行聚類、存儲并與其他的參數(如氣象信息、水文地理信息、專家系統(tǒng)以及作物的特征信息等)按照一定算法實現(xiàn)第二級融合，做出初步判決，并將判決結果連同部分關鍵數據通過光纖以太網或者GPRS模塊傳送給遠程監(jiān)測站，請求經驗豐富的工作人員做最后的判決，并將判決信息返回給數據處理中心，數據處理中心根據判決結果向電磁閥控制端發(fā)送控制指令；電磁閥控制端根據接收到的控制指令執(zhí)行灌溉控制，到此，一個完整的系統(tǒng)工作過程結束。

　　2 系統(tǒng)硬件部分設計

　　本系統(tǒng)硬件平臺的核心部分為數據處理中心，它負責管理整個ZigBee無線網絡，實現(xiàn)整個網絡的數據匯集、存儲、融合以及數據的遠端傳輸等。

　　2．1 ZigBee模塊設計

　　ZigBee無線通信芯片選用的是TI公司的CC2430F128，它是全球首個真正意義上的系統(tǒng)級ZigBee芯片，其射頻收發(fā)器工作在2．4 GHz ISM(IndustryScience Medical)頻段，采用低電壓(2．0～3．6 V)供電，接收發(fā)射電流為27 mA，接收信號靈敏度高達-92 dBm、最大發(fā)射功率為+O．6 dBm、最大傳送速率為250 Kb／s，硬件支持CSMA／CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和RSSI(Received Signal Strength Indicator)功能。由于其屬于高頻器件，因此本系統(tǒng)將其進行了模塊化設計，其原理圖如圖2所示。

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圖2 CC2430模塊設計原理圖

　　在射頻電路部分使用了一個非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C2和電感L1，L2，L3以及微波傳輸線組成，整個結構滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。其內部的T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來為32MHz的晶振提供一個合適的工作電流。32MHz的石英諧振器(X1)和2個電容(C191和C211)構成高速時鐘電路。32. 768 kHz的石英晶體(X2)與2個電容(C441和C431)構成低速時鐘電路。在模塊的外圍，采用MAX706S看門狗芯片，在程序出現(xiàn)異常時為其提供可靠復位。同時S3C2440的串口1與CC2430模塊的串口0相連，為S3C2440提供了訪問ZigBee無線網絡數據的接口。

　　2．2 數據處理中心整體結構

　　數據處理中心主要由核心處理器、ZigBee無線通信模塊、GPRS接口模塊、存儲模塊以及以太網光纖轉換模塊等組成。其整體原理圖如圖3所示。

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圖3 數據處理中心原理圖

　　數據處理中心的主控制芯片采用的是基于ARM920T架構的S3C2440處理器，該處理器是一款應用于手持移動通訊設備的32 b RISC微處理器。在本系統(tǒng)中，S3C2440主要負責對整個系統(tǒng)內的傳感器數據進行匯集、存儲、運算并將運算結果轉換成TCP／IP協(xié)議的光纖信號接入到In-ternet中或者通過串口與GPRS模塊通信以實現(xiàn)數據的遠端傳輸。

　　2．3 其他硬件電路設計

　　S3C2440在接收到CC2430模塊發(fā)送來的數據后，需要對其進行分類存儲，以備在歷史數據查詢時使用。本系統(tǒng)采用S3C2440來驅動FLASH存儲設備SD卡的讀寫，S3C2440具有專用的引腳通過SDIO模式來驅動SD卡，使用起來十分方便。GPRS模塊的接口設計相對來說比較簡單，S3C 2440的串口2通過MAX3232將TTL電平傳換成RS 232電平后即可與GPRS模塊相連。

　　由于農場環(huán)境的特殊性，不可能為每個ZigBee節(jié)點進行單獨供電，因此本系統(tǒng)采用太陽能電池與普通干電池相結合的方式為其提供電源，在太陽能電池電量充足的時候，采用太陽能電池供電，當太陽能電池電量不足或者出現(xiàn)故障時切換到干電池端，利用干電池進行供電。

　　由于基于IEEE 802．3標準的以太網在使用雙絞線的情況下最多只能傳輸100 m，網絡接入點一般會在距數據處理中心數公里以外的距離，遠不能達到設計要求。因此，設計了一種光纖以太網接口，使其能夠適應較遠距離的傳輸。本系統(tǒng)采用的方案為，通過S3C2440驅動DM9000-1O／100M自適應網卡芯片，經網絡隔離變壓器匹配輸出，再由隔離變壓器匹配輸入給IP113A實現(xiàn)以太網光纖信號轉換，最后經由光纖收發(fā)模塊進行光信號傳輸，其結構圖如圖4所示。

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圖4 以太網光纖信號轉換模塊

　　數據采集站與傳輸基站在電路設計上是相同的，只是在軟件上有所區(qū)別，其電路主要包括ZigBee無線模塊、與濕度傳感器間通信的串口模塊、防止程序出現(xiàn)異常的看門狗模塊以及供電模塊等。