系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì) - 基于ZigBee技術(shù)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

　　為了滿足大面積覆蓋的需求，本系統(tǒng)采用MESH型與星型相結(jié)合的混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即底層采用星型網(wǎng)絡(luò)，上層采用MESH型網(wǎng)絡(luò)，兩者在管理上是相互獨(dú)立的。

　　在底層，傳輸基站定時(shí)T s，以廣播的形式向其管轄區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集站發(fā)送傳輸基站數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀；數(shù)據(jù)采集站收到請(qǐng)求幀后，會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)通過采集站數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)上傳給傳輸基站；傳輸基站收到數(shù)據(jù)后，將采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和數(shù)據(jù)融合，并對(duì)長(zhǎng)時(shí)間沒有響應(yīng)的數(shù)據(jù)采集站的ID進(jìn)行記錄；在收到數(shù)據(jù)處理中心發(fā)出的數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀后，傳輸基站將處理好的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)處理中心。

　　數(shù)據(jù)處理中心與傳輸基站的數(shù)據(jù)傳輸采用的是輪詢方式，它會(huì)根據(jù)需要，在一定的時(shí)間內(nèi)以單點(diǎn)廣播的方式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸基站發(fā)送數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀，傳輸基站收到針對(duì)自己的數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀后，按照一定的路由方式上傳數(shù)據(jù)。當(dāng)需要修改數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)時(shí)(如定時(shí)發(fā)送時(shí)間間隔)，可通過控制幀進(jìn)行設(shè)定，傳輸基站收到后會(huì)將修改的值發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行確認(rèn)。圖5和圖6分別表示傳輸基站模型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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圖5 傳輸基站模型

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圖6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　對(duì)于無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，通信協(xié)議不僅可以保證網(wǎng)絡(luò)的可靠通信，還可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的通信效率，節(jié)省能耗。由于智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的參數(shù)具有緩慢變化的特性，因此本系統(tǒng)的通信協(xié)議采用“詢問-應(yīng)答”方式，采用這種方式不僅可以避免數(shù)據(jù)并發(fā)所造成的通信阻塞，還可以很好地對(duì)應(yīng)答節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行維修。圖7為系統(tǒng)的通信協(xié)議框架。

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圖7 通信協(xié)議框架

　　本系統(tǒng)在頂層采用的是節(jié)點(diǎn)分布比較規(guī)則的MESH型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中?shù)據(jù)處理中心相當(dāng)于sink節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)傳輸基站相當(dāng)于source節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)的位置是已知的?？梢詫ESH網(wǎng)絡(luò)分割成若干個(gè)簇，每個(gè)簇?fù)碛幸粋€(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)直接相鄰，當(dāng)sink節(jié)點(diǎn)廣播Interest時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)source節(jié)點(diǎn)的簇頭信息，有選擇性地進(jìn)行廣播，這樣就可以避免一個(gè)Interest在全網(wǎng)段廣播造成的能量浪費(fèi)。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論

　　經(jīng)過實(shí)際的測(cè)試，完全可以滿足系統(tǒng)在功能方面的需求，在對(duì)ZigBee模塊的無線收發(fā)與網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性的測(cè)試中取得了比較理想的結(jié)果。

　　(1)通過使用TI公司的SmartRFStudio信號(hào)測(cè)試軟件，CC2430在最強(qiáng)發(fā)射功率條件下，在室外晴朗的環(huán)境下測(cè)得收發(fā)距離在50 m以上，如圖8所示。

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圖8 接收信號(hào)強(qiáng)度與距離曲線

　　(2)使用Linux下的Hping指令對(duì)數(shù)據(jù)處理中心的網(wǎng)絡(luò)部分進(jìn)行測(cè)試，連續(xù)7天無故障運(yùn)行，同時(shí)在使用Hping-flood，即網(wǎng)絡(luò)最大數(shù)據(jù)流量對(duì)其進(jìn)行測(cè)試時(shí)，仍可正常工作。

　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要在ARM處理器上進(jìn)行應(yīng)用級(jí)數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計(jì)，另外需要對(duì)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)以及在農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試工作。

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