基于ZigBee的東北森林病蟲害監測技術研究

鄭文超

摘要 針對我國東北地區森林是病蟲害重災區的現狀，提出一種基于ZigBee的森林病蟲害監測研究方案，采用CC2430單片機作為核心芯片，利用LabVIEW軟件建立一個直觀的監測程序，最終實現一個低復雜度、低成本、低功耗的監測系統。通過對溫度、濕度、光照等環境參數的采集、分析和處理，達到森林病蟲害監測和防治的目的。

關鍵詞 ZigBee；森林病蟲害；監測系統；低功耗

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-04108-02

Abstract According to the the status of heavy disaster area of plant diseases and insect pests in Northeast China， a research scheme of forest insect pest monitoring based on ZigBee was proposed. Using CC2430 wireless microcontroller as the core chip， LabVIEW software was used to establish a visual monitoring program， the ultimate realization of a low complexity， low cost， low power monitoring system. By collecting， analyzing and processing the temperature， humidity， light and other environmental parameters， so as to achieve forest pest and disease monitoring and control purposes.

Key words ZigBee； Forest pests； Monitoring system； Low power consumption

我國東北地區屬于亞寒帶氣候，主要植被為落葉松林及針葉林，生物種類繁多，生物和環境、生物和生物之間的關系錯綜復雜，特別是大興安嶺地區，森林覆蓋率達到62%，病蟲害防控一直是森林保護工作的重中之重[1]。基于ZigBee的森林病蟲害防控監測系統，根據監測的物理參數，可以對寄主植物病蟲害的季節、數量變化與分布范圍進行分析，從而達到早期防治的目的，不僅可提高環境參數獲取的及時性和有效性，而且給病蟲害預測預報工作將帶來巨大方便。

1 ZigBee技術

1.1 ZigBee結構及其特點

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個人局域網協議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術[2]。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（Bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（Zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。

1.2 ZigBee無線傳感網絡

由于東北落葉松林等森林區域需要覆蓋的防控監測區域很大，因此需要由大量的ZigBee設備構成監控網絡，通過各類微型傳感器采集諸如空氣濕度、元素含量、光照強度、降水量、溫度和氣壓等信息，以幫助工作人員及時發現問題，同時借助物理定位功能，準確地確定發生問題的位置[3]。病蟲害防控監測任務將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機械的模式轉向以信息和軟件為中心的監測模式，達到大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的高科技設備的目的。

2 基于ZigBee的松毛蟲監測系統設計研究

2.1 系統原理

監測系統主要由數據處理中心、通信傳輸工具和無線傳感器網絡3部分構成，如圖1所示。數據處理中心由計算機、監測程序及林區環境參數數據庫組成[4]。通過運行在計算機上的監視程序，操作人員可以直觀、清晰地看到每個網絡節點的位置分布和狀態信息，利用計算機的快速運行能力對每個監測點數據進行實時處理并及時存入相應的數據庫，便于日后進行深入分析。數據處理中心與無線傳感器網絡之間使用光纖通信，解決了傳統信道傳輸距離短、抗干擾能力差等缺點，同時也解決了電磁干擾以及雷擊和電壓不穩的問題，大大提高了數據通信的可靠性、安全性和保密性[5]。監視區域內散布著大量的監測節點，通電后它們自動組建無線網絡，自動建立動態路由并定時向匯聚節點發送監測數據，匯聚節點再將數據傳送給數據處理中心。

2.2 ZigBee無線傳感器的組網方案

基于ZigBee的森林病蟲害監測系統的技術關鍵是無線傳感器部分的設計。許多高度集成化的傳感器結點可以組成大范圍的監測網絡[6]。在不需要電源和數據線的情況下，在一定距離上布置各類微型傳感器節點，它們之間可以實現準確、快速的信息互通，能夠使人們在第一時間得到覆蓋區域感知對象的各種參數信息，從而為病蟲害防控提供強大保證。

ZigBee 無線傳感器網絡的拓撲結構是簇狀網絡結構，由多個簡單的星形網絡組合而成。在里面的星形結構網絡中，不論是路由器還是終端設備都只與協調器通信，相互之間并不通訊，這樣使得協調器、路由器和網絡終端設備功能清晰[7]。圖2為簇狀網絡結構。在 ZigBee 簇狀網絡中，一個路由器出現故障并不會使這個路由器的子節點無法使用，它的子節點會尋找最近的路由器設備申請重新加入網絡，形成了新的網絡結構[8]。

基于ZigBee的森林病蟲害監測系統的所有網絡節點核心芯片是CC2430無線單片機。網絡路由器與網絡協調器的射頻覆蓋范圍由CC2430的射頻發送接收范圍決定，直接影響無線傳感監測網絡覆蓋范圍的大小。而CC2430具有高靈敏度、超低功率、抗干擾和抗噪聲能力強的卓越射頻功能[10]。除了多個接口提供了可連接不同的傳感器功能外，CC2430還可以外接LED顯示設備，提供報警功能。將它作為ZigBee網絡節點的微控制芯片，完全可以滿足監測系統的功能需求。

2.4 軟件設計

以Zig-Bee協議棧（Z-STACK）作為ZigBee技術的核心軟件，開發802.15.4/ZigBee技術，按照IEEE802.15.4標準完成系統初始化和一些其他基本調用就能夠滿足應用程序的設計需求。基于ZigBee的標準協議和便于存儲的常駐芯片能夠保證整個系統的高效和緊湊。通過硬件的層次發散鏈式結構而決定的軟件系統，應該由網絡節點的運行程序和相對應的工控機的運行程序組成。這樣使得編程代碼不再繁瑣。圖4為用LabVIEW開發的基于ZigBee的森林病蟲害監測系統的軟件界面。LabVIEW是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。它不僅采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序，還提供很多外觀與傳統儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。使用LabVIEW開發平臺編寫的病蟲害監測程序，可以更直觀地呈現森林監測區域內相關環境參數的變化狀況。在數據處理中心用SQLServer 2008建立一個林區環境參數數據庫與監測程序相連接，提供各個時段森林監測區域相關參數的記錄。

3 結語

將ZigBee技術應用在東北病蟲害監測防控系統上，極大地提高了系統的實時性、可靠性，并且系統開發價格較低廉，性價比高，安裝維護簡單，容易擴展節點。通過無線傳感系統，實時采集病蟲害信息，把森林環境參數（包括環境的光照強度溫度、濕度等）傳送給環境管理員，方便專家及時進行診斷并反饋防治措施；同時對松毛蟲對森林造成的災害的癥狀、防治辦法、制定專家、病原名稱和地理位置等相關信息按一定標準存入數據庫，以實現數據共享，能夠及時地獲得監測現場的環境狀況，提高森林松毛蟲等病蟲害診斷的準確率和減少植被損害。

參考文獻

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