趙星

（陜西財經(jīng)職業(yè)技術學院，陜西咸陽，712000）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡經(jīng)過快速發(fā)展，目前主要通過紅外、藍牙、Wifi以及ZigBee等技術來實現(xiàn)無線通信。ZigBee技術則相對具有低功耗、低成本以及安全可靠等優(yōu)點，具有巨大的發(fā)展前景。

1 灌溉系統(tǒng)整體架構設計

在該整體架構部署中，種植片區(qū)內部署的ZigBee無線網(wǎng)絡由感測節(jié)點、執(zhí)行節(jié)點、路由節(jié)點以及網(wǎng)管協(xié)調器節(jié)點構成。其中，感測節(jié)點分為兩部分：一部分節(jié)點主要負責采集種植區(qū)環(huán)境信息；另一部分節(jié)點負責采集本地電磁環(huán)境信息，從而保障感測節(jié)點的安全運行。執(zhí)行節(jié)點負責控制電磁閥的開合；路由節(jié)點負責提供路由服務；網(wǎng)關協(xié)調器節(jié)點負責網(wǎng)絡構建，并且具備遠程交互功能。通過這種網(wǎng)絡結構，讓各感測器節(jié)點采集數(shù)據(jù)信息，由網(wǎng)關協(xié)調器節(jié)點上傳至主控中心，在服務器內完成數(shù)據(jù)的分析處理及存儲，根據(jù)數(shù)據(jù)的處理結果來進行相應決策，從而制定灌溉計劃并發(fā)出命令。系統(tǒng)用戶可以利用終端設備登錄控制平臺，對系統(tǒng)狀態(tài)、工作計劃進行操作。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件選擇

本系統(tǒng)設計采用CC2530芯片來搭建控制器模塊。CC2530芯片采用8051MCU，具備2.4GHz的視頻收發(fā)器核心以及IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議。作為TI公司的第二代嵌入式ZigBee應用片上系統(tǒng)，CC2530芯片具有高性能、低功耗、小體積等優(yōu)點，能夠滿足無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的要求。TI公司的無線解決方案不僅使各制造商專注與高性能、小體積的無線網(wǎng)絡產(chǎn)品開發(fā)，還免費提供Z-Stack協(xié)議軟件等軟件工具，因此采用CC2530芯片來作為無線通信設備，具有很高的性價比。

2.2 無線網(wǎng)絡節(jié)點布局

由于灌溉系統(tǒng)的特點，本系統(tǒng)中擁有大量的網(wǎng)絡節(jié)點，因此必須設計合理的節(jié)點部署方案來擴大網(wǎng)絡覆蓋面積，提高網(wǎng)絡通訊質量。目前，通常采用網(wǎng)格型部署方式，其又包括四邊形部署方案和蜂窩形部署方案。

圖1 四邊形和蜂窩形網(wǎng)絡設計

綜合考慮發(fā)現(xiàn)，蜂窩型節(jié)點部署方案具有更好的網(wǎng)絡連通性。因此本系統(tǒng)選擇采用蜂窩型節(jié)點部署方案來部署網(wǎng)關協(xié)調器節(jié)點和路由節(jié)點，從而構成無線感測器網(wǎng)絡骨干架構。執(zhí)行器節(jié)點也采用蜂窩型節(jié)點部署方案，根據(jù)其使用的搖臂式旋轉噴頭的灌概半徑而確定相應網(wǎng)格尺寸。種植區(qū)農(nóng)作物生長環(huán)境感測節(jié)點則采用四邊形節(jié)點部署方案，在種植區(qū)均勻分布，從而更全面地采集信息。

2.3 節(jié)點程序設計

圖2 節(jié)點程序設計

定時喚醒農(nóng)作物生長環(huán)境感測節(jié)點和本地電磁環(huán)境感測節(jié)點，執(zhí)行感測任務，并在完成感測任務后進入休眠狀態(tài)；定時喚醒執(zhí)行節(jié)點，查看上級路由節(jié)點內有無灌溉指令緩存信息，若有指令則執(zhí)行。

2.4 網(wǎng)絡路由策略選擇

Mesh型Zigbee網(wǎng)絡支持的網(wǎng)絡封包路由策略有三種，分別為完全啟用路由探索、禁用路由探索以及按需啟用路由探索。路由節(jié)點根據(jù)封包包頭所設置的路由探索域，來確定路由策略。當路由探索域設置為完全啟用路由探索時，若路由節(jié)點未從路由表中發(fā)現(xiàn)封包目標位址信息，則啟用路由探索；若無法啟用路由探索，則通過樹形層級路由算法，將該封包轉發(fā)。當路由探索域設置為禁用啟用路由探索時，路由節(jié)點無法從路由表中發(fā)現(xiàn)封包目標位址信息，則通過樹形層級路由算法轉發(fā)封包。當路由探索域設置為按需啟用路由探索時，通過檢視封包類型從而判決出適宜的路由策略：包含設備捆綁請求的封包，會選用完全啟用路由探索策略；突發(fā)性較強的數(shù)據(jù)封包，則選用禁用路由探索策略，從而提高傳輸效率。

本文所提出的Zigbee無線感測系統(tǒng)設計方案中，選擇按需啟用路由探索作為封包路由策略，可以在一定程度上降低系統(tǒng)能耗。

3 結束語

由此通過上述的設計，借助Zigbee無線網(wǎng)絡完成了對灌溉系統(tǒng)無線網(wǎng)絡的設計。在設計中，充分應用了無線網(wǎng)絡的布局，系統(tǒng)的整體架構搭建和無線網(wǎng)絡的路由策略等，為無線網(wǎng)絡的設計提供了一種參考。

[1]樊銳,李茹,王績一.藍牙/ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展,2013,23(01):209-213.

[2]劉新宇,李兵,黃珊,陳鳴.一種ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)算法[J].計算機工程,2012,38(04):97-99.