操作， 并可組建一個具有自組織、多跳動態(tài)路由機制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器模塊主要負責連接各類傳感器， 包括水分傳感器， 溫濕度傳感器。電機驅(qū)動模塊主要用于驅(qū)動外部的灌溉閥門的電機。通過電機驅(qū)動系統(tǒng)和JN5121模塊， 便可以實時控制灌溉閥門的開關(guān)。

圖2所示是該系統(tǒng)節(jié)點的硬件框圖。

4 WSN網(wǎng)絡(luò)平臺的組建

4.1 節(jié)點初始化及入網(wǎng)流程

WSN網(wǎng)絡(luò)中各類節(jié)點的軟件流程如圖3所示。不同節(jié)點的軟件差異主要在于Zigbee協(xié)議棧的初始化。由于中心節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的建立者， 故在整個WSN網(wǎng)絡(luò)中必須最先啟動。在初始化Zigbee協(xié)議棧時， 通過調(diào)用afmeAddSimpleDesc () 函數(shù)， 可在該函數(shù)中完成信道選擇并確定PAN ID， 從而完成網(wǎng)絡(luò)組建。全能節(jié)點和終端節(jié)點則可在初始化Zigbee協(xié)議棧時， 通過調(diào)用afmeAddSimpleDesc ()函數(shù)， 將待入網(wǎng)的節(jié)點初始化為全能節(jié)點或是終端節(jié)點， 然后掃描所有可用信道以尋找與自身PAN ID匹配的網(wǎng)絡(luò)。當掃描到匹配網(wǎng)絡(luò)后， 待入網(wǎng)節(jié)點將向中心節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求數(shù)據(jù)幀， 當接

收到中心返回的入網(wǎng)確認信號后， 表明節(jié)點已入網(wǎng)成功。

4.2 BOS系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度機制

Basic Operating System (BOS) 是一個簡單的非搶占式任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)， 各個任務(wù)都具有相同的優(yōu)先級別， 只有當一個任務(wù)運行結(jié)束后才能調(diào)用其他任務(wù)。BOS系統(tǒng)的運行流程如圖4所示。

BOS 系統(tǒng)可控制執(zhí)行Zigbee Task 和DefaultUser Task， 其中Zigbee Task可作為單獨任務(wù)被執(zhí)行， APS (Application Sub-layer) 和ZDO (ZigbeeDevice Objects) 都在Zigbee Task中執(zhí)行。DefaultUser Task則在BOS系統(tǒng)初始化時被創(chuàng)建。BOS系統(tǒng)初始化時， 最多可以定義兩個User Task， 根據(jù)功能實現(xiàn)的需要， 可以在Default User Task中定義應(yīng)用程序。Hardware Peripheral Event 和MACSub-Layer等屬于隨即事件， 可以中斷的形式在Optional Task中處理。

4.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲管理

網(wǎng)絡(luò)部署后， 中心節(jié)點就要建立拓撲表， 并建立一個節(jié)點的父子關(guān)系。拓撲發(fā)現(xiàn)分為兩個階段， 首先是骨干網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)， 在此階段， 中心節(jié)點將自己的網(wǎng)絡(luò)級別設(shè)置為0級節(jié)點， 然后在中心節(jié)點廣播域內(nèi)的所有節(jié)點均發(fā)送分組， 分組包含發(fā)送節(jié)點的類型和網(wǎng)絡(luò)級別， 當中心節(jié)點廣播域內(nèi)的所有節(jié)點收到中心節(jié)點發(fā)送的分組后， 終端節(jié)點將忽略該分組信息， 全能節(jié)點則將自己的網(wǎng)絡(luò)級別設(shè)置為分組中的網(wǎng)絡(luò)級別加1， 即為第1級， 然后將自己的節(jié)點類型和網(wǎng)絡(luò)級別作為新的發(fā)現(xiàn)分組廣播出去。當一個節(jié)點收到第i級節(jié)點的廣播分組后， 記錄發(fā)送這個廣播分組的節(jié)點的級別， 并設(shè)置自己的級別為(i+1)。這個過程將一直持續(xù)下去， 直到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個全能節(jié)點都具有一個級別。如果節(jié)點已經(jīng)建立了自己的級別，就忽略其它的級別發(fā)現(xiàn)分組。第二階段是終端節(jié)點發(fā)現(xiàn)。在此階段， 各個全能節(jié)點在自己的廣播區(qū)域內(nèi)向它所有的終端節(jié)點發(fā)送分組包， 終端節(jié)點收到分組后， 會設(shè)置自身為該全能節(jié)點的附屬節(jié)點， 并將自己的網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)送給全能節(jié)點。當終端節(jié)點建立好附屬級別后， 將忽略其他全能節(jié)點發(fā)送的分組。完成網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)后， 所有節(jié)點將把自身的節(jié)點類型和網(wǎng)絡(luò)級別發(fā)送給中心節(jié)點， 這樣， 中心節(jié)點就可以建立一張當前的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。此后， 當有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時， 中心節(jié)點就可在網(wǎng)絡(luò)中尋找該節(jié)點并更新拓撲表， 并添加節(jié)點。而當有節(jié)點刪除時， 中心節(jié)點也會更新拓撲表， 并刪除該節(jié)點。

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afdeDataRequest () 和JZA_u8AfMsgObject() 兩個函數(shù)來實現(xiàn)節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，其中afdeDataRequest () 函數(shù)用于實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送， JZA_u8AfMsgObject () 則負責數(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運行期間， 系統(tǒng)會不斷查詢?nèi)蝿?wù)信息。當接收到新數(shù)據(jù)時， 系統(tǒng)將調(diào)用JZA_u8AfMsgObject ( ) 函數(shù)， 并在JZA_u8AfMsgObject () 函數(shù)中對數(shù)據(jù)包進行解析和處理。

5 系統(tǒng)功耗控制

系統(tǒng)節(jié)點的低功耗設(shè)計采用器件低功耗設(shè)計和精確的電源管理策略。其中器件低功耗設(shè)計主要是選擇低功耗器件， 并在空閑時， 通過軟件方式使器件進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CPU來控制設(shè)備的供電時間。本系統(tǒng)設(shè)計就是采用器件低功耗設(shè)計同時， 也根據(jù)節(jié)點需要完成功能， 來為節(jié)點制定精確的電源管理。本系統(tǒng)設(shè)計終端節(jié)點為定時采集方式， 從而大大縮短了終端節(jié)點的工作時間， 使終端節(jié)點大部分時間都處于低功耗或休眠模式， 本系統(tǒng)的終端節(jié)點電池的工作時間可以長達12個月到24個月。但是， 全能節(jié)點必須一直處于工作狀態(tài)， 因此， 相對于終端節(jié)點， 全能節(jié)點功耗比較高， 故應(yīng)盡量簡化全能節(jié)點的電路設(shè)計， 并采用外部供電的方式， 由灌溉控制系統(tǒng)來為其供電。

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)測試， 系統(tǒng)運行穩(wěn)定。Zigbee無線通信系統(tǒng)的通信成功率達98. 392%， 土壤水分傳感器的采集精度可達1%。通過低功耗設(shè)計，其終端節(jié)點的待機電流大約為17μA， 工作電流大約為30mA。在一天24小時內(nèi)， 本系統(tǒng)中的節(jié)點每60分鐘采集一次數(shù)據(jù)， 采集工作時間是17s（測試得到）， 系統(tǒng)在24小時內(nèi)工作0.113h， 待機23.887h， 理論功耗為(0.113×30 ＋ 0.017×23.887)3.796mAH。對于一節(jié)普通的800mAH的堿性電池， 其終端節(jié)點可以持續(xù)工作7個月。全能節(jié)點由灌溉區(qū)的灌溉控制系統(tǒng)供電， 可以保證全能節(jié)點全天持續(xù)工作。實際上， 系統(tǒng)持續(xù)工作時間取決于很多外部因素， 例如： 電池種類、容量和應(yīng)用場合等。在實際應(yīng)用中， 合理配置終端節(jié)點的工作時間， 也可以提高節(jié)點的工作時間。

7 結(jié)束語

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)計與實現(xiàn)方法， 同時針對系統(tǒng)的節(jié)點硬件設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)組建、數(shù)據(jù)通信和低功耗設(shè)計等問題， 給出了詳細的解決方案， 并成功實現(xiàn)了WSN網(wǎng)絡(luò)的組建。實驗證明，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農(nóng)業(yè)土壤墑情的監(jiān)控能力， 同時， 采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式， 也加強了系統(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)可實現(xiàn)無人職守工作， 并可省去人工操作， 從而可在真正意義上實現(xiàn)灌溉自動化。