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ZigBee的遠程低功耗灌溉控制系統設計

作者: 時間:2014-01-18 來源:網絡 收藏
3.1.3 網絡通信協議設計
(1)協調器消息處理
協調器通過UART接口從短信模塊中讀取短信的內容后,將其保存在ZigBee協調器中,等待ZigBee終端醒來后發送詢問消息。如果詢問后ZigBee協調器保留了控制消息,那么ZigBee協調器將保存的控制指令以廣播的形式發送出去,如果終端詢問過后ZigBee協調器沒有控制指令,那么ZigBee協調器將發送無控制消息到ZigBee終端。
ZigBee協調器發送數據后等待ZigBee終端回復確認信息,其信息格式如下。

i.jpg


其消息類型域取值見表1。協調器收到ZigBee終端的回復消息后,將該節點號所對應的字節的控制消息全部位置0,使下次廣播控制指令后,該終端節點不會采取相應動作。
當ZigBee協調器發送完控制消息后,等待接收終端電磁閥的狀態,ZigBee協調器收到所有ZigBee終端的電磁閥狀態信息或者等待時間超時后,向上位機發送已接收到的電磁閥信息。
ZigBee協調器的消息處理流程如圖5所示。

j.jpg


(2)ZigBee終端消息處理
由于ZigBee終端是完全由電池供電,所以ZigBee終端必須定時睡眠來節約能量,使終端工作時間可以盡可能地長。因此,ZigBee協調器收到控制信息后不可能直接發送給終端,必須先存儲,ZigBee終端為了獲得控制消息,在醒來后必須向協調器發送詢問消息,使ZigBee協調器發送控制消息。
ZigBee終端收到ZigBee協調器發送來的控制指令后,向ZigBee協調器發送確認消息,使ZigBee協調器更改相應的節點狀態,避免重復發送控制指令到ZigBee終端,增加ZigBee終端的負擔。
ZigBee終端收到控制信息后,獲取本節點的控制信息,判斷是否有控制信息。如果有控制信息,為了使ZigBee終端的電磁閥中的電機不出現卡死的現象,ZigBee終端必須判斷當前的控制狀態是否和電磁閥當前的狀態相同。如果相同,則對電磁閥不采取任何控制動作;如果不同,則根據控制信息對電磁閥采取相應的控制。對控制信息進行判斷后,為了使電磁閥對控制信息有充分的反應時間,延時1 s采集電磁閥的控制信息,然后將其傳送到ZigBee協調器,其處理流程圖6所示。

k.jpg


回復到ZigBee協調器的電磁閥的狀態信息的消息格式如下。

l.jpg


其中消息類型域的值見表2。電磁閥狀態域低4位存放電磁閥的狀態,每一位存放一個電磁閥的狀態。
3.2 低功耗與同步設計
由于ZigBee終端節點是采用電池供電,所以ZigBee終端節點必須定時地休眠和喚醒以節約能量,使電池的供電時間更長。如果本系統的ZigBee網絡采用網狀結構和樹狀結構,那么路由器節點必須在非路由器節點之前醒來,這樣必然會增加系統的控制難度,最糟糕的情況下可
能會使整個系統無法控制,并且可能使終端節點不定期的掉線。所以本系統采用星型網絡,終端節點直接和協調器節點交互信息。
3.2.1 ZigBee節點同步
ZigBee節點之間的誤差主要是傳輸延時和節點之間的時鐘誤差。
(1)節點時鐘誤差測量
ZigBee協調器節點先發送廣播數據包,其中帶有協調器節點下一次發送數據包的時間T1。節點收到數據包后,啟動定時器等待接收Zig Bee協調器下次發送數據,當ZigBee終端節點收到下一次同步數據后,讀取定時器的時間為T2,所以時鐘偏移誤差為:a=(T2-T1)/T1。
(2)延時誤差
ZigBee終端節點向ZigBee協調器節點發送同步信息,ZigBee協調器收到同步信息后回復一個同步信息到ZigBee終端,ZigBee終端收到此回復信息的時間為T3。假設傳輸的延時一樣,為T4,則T4=(1+a)×T3/2。
3.2.2 ZigBee終端節點睡眠
當ZigBee協調器接收到所有節點的狀態回復后,廣播一個睡眠消息到ZigBee終端,消息中加入睡眠的時間T5,ZigBee終端收到此時間后,開始睡眠,其睡眠時間為T5-T4-a×(T5-T4)。節點醒來后,再延時1 s發送詢問消息到協調器,獲得控制消息。

結語
本系統經過現場調試,能夠對上位機發送的控制指令進行準確的控制。節點定時地睡眠和蘇醒,能夠有效地節約電量,兩節干電池能夠工作6個月到兩年,為系統在農田這種無電源供電場合提供保障。采用同步算法和一些輔助措施,使系統能夠在同一時間蘇醒、同一時間睡眠,ZigBee終端節點同一時間接收到ZigBee協調器廣播控制指令數據包的概率在90%以上,更加節約能源。


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