廣西山區茶園無線網絡監測系統設計

摘要 針對廣西山區茶園設計了依靠節點自組織特性自動構建零通信費的ZigBee無線網絡監測系統，能夠定時采集茶園的空氣溫濕度、土壤溫濕度和光照等參數。該系統除協調器外全部使用路由節點，種植區按蜂窩狀劃分，每個路由監測節點均布置在蜂窩中心，有效提高了監測系統可靠性。在種植區與監控中心之間的非種植區設計了路由中繼節點，用于接力傳送茶園監測數據至監控中心內的協調器。節點硬件電路包括核心板與底板，核心板設計了CC2530與RFX2401射頻功放，底板設計了傳感器處理模塊、電源模塊及調試接口。深入分析了Zstack協議棧基于事件處理的多任務構架下用戶程序設計方法。完成了山區茶園基于ZigBee技術的無線監控網絡設計，實現了茶葉種植區內空氣溫、濕度及土壤溫、濕度，光照參數，CC2530供電電壓和工作溫度的周期采集和傳輸。通過實際運行，整個系統穩定可靠。

關鍵詞 ZigBee;ZStack協議棧;CC2530;中繼

中圖分類號 S24 "文獻標識碼 A "文章編號 0517-6611（2014）32-11588-05

Design of Wireless Network Monitoring System for Guangxi Mountain Tea Plantation

ZHUGE Tianqiu1， LUO Yuexin1， ZHANG Biao2 et al

（1. Tea Research Institute of Guilin， Guilin， Guangxi 541004; 2. School of Information Science amp; Engineering， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004）

Abstract The paper designs ZigBee wireless network for tea plantation in Guangxi mountain area， which has features of selforganization， selfestablishing and no communication fees. The network can obtain data regularly that contain temperature and relative humidity of ambient and soil， intensity of illumination. The all node of system adopts routing node except coordinator. In order to improving reliability of monitoring systems， the tea plantation is divided into several cellular areas， and the center of each cellular has one routing node for gathering abovementioned parameters. Between tea plantation and monitor center some routing nodes are arranged so that data from tea plantation can relay transmit to coordinator which is in the monitor center. The hardware is consist of core board and baseboard. Module of sensor signal process， power module and debugging interface are equipped in the baseboard. Programming method about Zstack protocol which is based on event process of multitask architecture was analyzed deeply. Stability and reliability of the whole system are confirmed by running actually.

Key words ZigBee; Zstack protocol stack; CC2530; Relay

基金項目 廣西區科技計劃項目（桂科攻12220112D）;廣西區教育廳科技項目（桂教科研[2006]26號）;廣西自然科學基金項目（2013GXNSFBA019277）;桂林市科技攻關項目（201101095）;桂林市科技攻關項目（20130110112）。

作者簡介 諸葛天秋（1974-），女，廣西富川人，高級農業經濟師，從事茶葉種質資源與農業信息化工作。

收稿日期 20141011

為了提高廣西山區茶園的茶葉品質，需要對其環境參數進行有效感知，以便及時采取有效措施來實現高效的生產管理。但山區茶園距離遠，環境參數的獲取依靠傳統的人工方式顯然不能滿足要求。針對山區有機茶園的監測現狀，必須采用無線遠程監控方式來實現。無線方式分為兩類，一類利用移動通信網絡實現數據收發，如3G、GSM、GPRS等，這種方式必須支付通信費用，使成本增加。另一類則是利用無線傳感網來實現，其中ZigBee網絡無需申請許可證即可使用免費2.4 G頻段。對于山區茶園，使用ZigBee網絡不僅可以克服偏遠地區移動通信網信號不穩定的缺點，更重要的是無需支付任何通信費用。由于茶樹喜歡溫暖、潮濕、陰蔽的環境，其生長需要適當的溫度、水分、光照和土壤條件，確定采集參量共5個，分別為土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度和光照度。

1 系統結構設計

針對山區茶園監測要求，設計了一個組網方便且可采集多種參量的監測系統，系統結構如圖1所示。對于茶葉種植區域按蜂窩劃分，每個路由監測節點位于一個蜂窩的中心，均采集空氣及土壤溫、濕度和光照度參數，系統依靠節點的自組織特性自動組建成ZigBee無線網絡。路由中繼節點不實現采集任務，但增加了射頻功率放大（PA）模塊，使無線信號傳輸距離超過1 km，通過多次中繼后采集數據可以傳送到距茶園較遠，且安裝在監控中心內的協調器，協調器再經串口將所有檢測數據發送到上位計算機進行顯示和處理。

系統結構的核心是ZigBee節點，ZigBee標準中定義的節點具有通用性，每個節點都具備參數采集、路由和協調器功能，具體成為何種節點只需軟件配置，一旦節點配置為終端節點，該節點就喪失了路由功能。當配置為路由節點或協調器節點時仍可實現參數采集功能，這是由用戶編寫的軟件代碼決定的。由于每個ZigBee子網只能有一個協調器節點，因此該項目除配置一個協調器節點外，其他全部為路由節點，沒有使用終端節點，這樣即使發生多個節點故障也不會造成采集系統失效，可顯著提高監測網絡的可靠性。但路由節點需對其他節點發來的信息存儲、融合和轉發，會使其數據吞吐量增加，不過茶園監測數據量小，監測間隔時間較長，這樣實現完全可行。

該項目最終確定茶葉種植區內配置為路由節點，兼有參量采集和路由功能，故此稱為路由監測節點，用于采集土壤溫度、濕度及空氣溫度、濕度和光照共5個參數;采集間隔時間為20 min。由于山區茶葉種植區距離監控中心較遠，約有數公里，因此還配置了另一類路由節點，在此命名為路由中繼節點，該類節點不具備參數采集功能，實現電路上增加功率放大模塊，實現茶園采集數據接力傳輸至遠端協調器。

圖1 系統結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 節點硬件結構設計

系統硬件的核心是ZigBee節點，為提高節點硬件通用性并降低印刷電路板開模成本，每個節點都包含兩塊印制板：核心板和底板。高頻部分，即ZigBee模塊CC2530和射頻功放模塊RFX2401單獨設計成核心板，該核心板有兩種，協調器和路由中繼節點使用帶射頻功放模塊RFX2401，路由采集節點的核心板不帶射頻功放模塊。底板是所有節點通用的，對于路由中繼節點和協調器則不連接傳感器模塊。

該系統ZigBee節點硬件結構如圖2所示，每個節點由CC2530、射頻功率放大模塊RFX2401、傳感器模塊、串行接口及電源模塊組成。傳感器模塊負責采集監測區域的信息;CC2530是整個節點的中樞，主要負責建立，維護通信網絡，實現無線信號傳輸;傳感器數據采集、處理、轉發和識別控制信息并進行控制等功能;射頻功放模塊實現無線信號遠距離雙向傳輸;串行接口對協調器實現節點與上位機通信，對路由節點則用于硬件測試;電源模塊負責節點供電。

2.2 核心板電路設計

CC2530是一款SOC芯片，符合ZigBee標準。CCC2530具有較寬的工作電壓（2.0～3.6 V），功

圖2 節點硬件結構

耗低，適合電池供電，它片內集成了射頻收發模塊、增強型51內核、8路12位ADC、2個多功能串行口、21個I/O。CC2530內置的射頻收發模塊通信距離有限，在空曠區域可達100 m，有障礙區域只有50～60 m，使用RFX2401模塊可使通信距離增加到600 m，若再配合高增益的9 dBi天線則通信距離超過1 km。該設計將CC2530+RFX2401模塊用作路由中繼節點，核心板電路主體部分如圖3所示。CC2530的P1.1、P1.2連接RFX2401收、發使能端;P0.0、P0.1、P0.2用于連接模擬輸出傳感器（光照度，土壤溫、濕度）;P2.1、P2.2連接數字輸出傳感器（空氣溫、濕度）;P1.4、P1.5用于串口通信;P1.6、P1.7、P2.0用于通信測試。

2.3 底板電路設計

底板電路連接核心板與傳感器，可將核心板控制命令傳遞給各個傳感器，還能將傳感器輸出的模擬或數字信號送入CC2530芯片進行AD轉換或直接讀取。底板上含串行通信插座，指示網絡連接狀態的LED指示燈和測試按鍵，可用于程序調試和協調器與上位機通信。系統供電由底板輸入，采用可充電電池，經1117M3電壓轉換芯片獲得3.3 V電壓給CC2530和RFX2401模塊供電。

2.4 傳感器模塊設計

茶園種植區內每個路由監測節點需要采集空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度、供電電壓和核心板溫度共7個參數，共采用4種傳感器，其中核心板溫度和供電電壓由CC2530內部直接接入AD轉換器，無需外部接口;路由中繼節點只采集電池供電電壓和核心板溫度;協調器節點位于控制室內只檢測核心板溫度。由于各路由節點均為電池供電，傳感器選擇都遵循低功耗、低供電電壓原則。4種傳感器的輸出信號分為兩類：模擬輸出和數字輸出。模擬輸出傳感器連接到CC2530的AD 輸入端P0.0、P0.1、P0.2，空氣溫濕度是數字輸出傳感器連接到CC2530的I/O P2.1、P2.2上。傳感器模塊電路如圖4所示，限于圖幅大小，圖中僅給出檢測與處理電路。

空氣溫濕度傳感器采用SHT71，該傳感器供電電壓低，功耗低，適用于電池供電系統，可同時測量空氣溫度和濕度，輸出為數字信號，共4個引腳，分別為SCK（串行時鐘線）、DATA（串行數據線）及電源和地，CC2530使用P2.1、P2.2分別連接SHT71的DATA和SCK引腳讀取空氣溫、濕度的值。此處DATA信號為開漏輸出需接10 kΩ上拉電阻。土壤濕度檢測采用TDSWR2傳感器，可埋入土壤中對土壤水分進行定點長期監測。相對測量范圍0～100%，輸出0～2.5 V模擬信號，供電電壓可低至2.7 V。電纜標準長度5 m，TD

圖3 CC2530核心原理

圖4 空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照傳感器電路原理示意

SWR2測得的土壤濕度模擬量經運放LF356同相比例變換進入CC2530的AD端P0.0腳。土壤溫度傳感器采用ST100，該傳感器耐腐蝕，功耗低，密封性好，0～1 030 mV模擬信號，測量范圍-30～70 ℃，0 ℃以上精度為0.1 ℃，其輸出的模擬信號也經運放同相比例變換后接入CC2530的AD輸入端P0.1腳。使用運放進行同相比例變換是為了把傳感器模擬信號輸出范圍轉換到CC2530參考電壓范圍內（該設計參考電壓由CC2530 AVDD5腳輸入，為3.3 V）。光照度傳感器選用硅光電池，由于硅光電池輸出為微弱的電流信號，需經后級運放放大，第1個運放用于將光電池輸出的微弱電流信號轉換為電壓信號，第2個運放作用與前面相同就是將輸出電壓信號轉換到0～3.3 V參考電壓范圍內，圖4中的50、150 kΩ電位器是為了方便調節電壓放大倍數。此外，傳感器模塊還檢測CC250工作電壓和芯片溫度，這兩個模擬量輸入端已集成在CC2530的AD輸入端內，只需軟件設置就可檢測工作電壓和芯片溫度。

3 應用軟件設計

3.1 Zstack協議棧用戶編程概述

采用CC2530構建的ZigBee無線網絡，其軟件系統是建立在TI公司開發的Zstack協議棧上的。Zstack協議棧本質上是ZigBee協議的具體實現形式，同時也是ZigBee協議和用戶之間接口，用戶通過使用協議棧來實現協議。按照現代軟件分層設計的思想，TI在Zstack協議棧中實現了ZigBee協議物理層，MAC層和網絡層，但實現代碼不公開，用戶程序則在應用層上開發，需要使用底層時可調用Zstack協議棧提供的API函數。

在Zstack協議棧中，用戶只需實現應用程序框架，應用程序框架最多包含240個應用程序對象，每個應用程序對象就是一個任務，每個任務又可以響應1個系統事件和15個用戶事件，可見應用程序框架包含一個支持多任務的資源分配機制，因此ZStack協議棧提供一個OSAL（操作系統抽象層）來調度程序，OSAL實現了操作系統才具備的以多任務為核心的任務調度及系統資源管理。因此CC2530與常規單片機編程方式完全不同，必須通過創建OSAL任務來運行應用程序，而且用戶程序設計就是通過對例程代碼修改、增刪而實現的。

安徽農業科學 " " " " " " " " " " " " 2014年

3.2 用戶任務工作流程

該項目設計的用戶任務在Zstack協議棧中的工作流程如圖5所示。其中“系統初始化”由函數osal_init_system（）實現，該函數內又包含6個初始化函數，其中任務初始化函數osalInitTasks（）是用戶程序必須修改的，該設計在該函數最后增加用戶任務初始化函數SampleApp_Init（taskID ），該函數內部分配任務號，初始化串行口，設置周期信息廣播地址和周期信息單播地址。周期信息廣播目標地址為0xFFFF，用于協調器向所有路由節點廣播信息;周期信息單播地址為0x0000，用于路由節點向協調器發送信息。運行操作系統由函數osal_start_system（）實現，該函數是任務系統輪詢函數，永遠不會返回，它負責查找發生的事件，然后調用相應任務對該發生事件的處理函數，該函數中核心語句“events= tasksEvents[idx];”用來提取需要處理的任務事件，另一核心語句“events =（tasksArr[idx]）（idx，events）;”通過指針調用相應事件的任務處理函數。如果沒有事件發生，CC2530 會自動進入省電模式。

圖5 用戶任務工作流程

3.3 節點軟件設計

3.3.1 串口通信程序設計。

串口在用戶程序開發中有著非

常重要的作用，它是Zstack協議棧與上位機的通信接口，可把ZigBee各節點數據傳入計算機，也可接收上位計算機數據包再轉發給網絡上各個節點，主要用在協調器與上位機雙向通信，另一重要用途則是作為節點程序調試接口。在CC2530中使用串口與普通單片機不同，需要在Zstack協議棧中加入串口功能，使其納入OSAL統一管理中。

串口使用前需要兩個初始化步驟：①串口初始化（設置波特率，是否使用流控制等），②登記任務號，如圖5所示這兩個步驟是在用戶任務初始化函數SampleApp_Init（TaskID）進行的。由于串口已經封裝在協議棧中，節點向串口發送數據包只需調用函數HalUARTWrite（uint8 port，uint8 *buf，uint16 len），其中port指串口號，該設計使用串口0;*buf是數組緩沖區指針，節點上傳的數據需提前寫入這個緩沖區中;len指字節為單位的數據長度。上位機下發數據包到節點可由用戶設定通信幀格式，該設計采用的幀格式為：“幀頭+地址+命令字+數據長度+數據包+校驗+幀尾”，然后將串口數據接收函數“MT_UartProcessZToolData（…）”根據自定義幀格式修改為有限狀態機方式接收模式，實現過程如圖6所示，其中，正確接收幀尾，調用函數osal_msg_send（...）將數據包發送到OSAL層非常重要，調用該函數后，會產生觸發用戶任務的事件，響應觸發事件時，協調器就可以調用AF_DataRequest（…）函數把串口接收的數據包發給路由節點了。

圖6 有限狀態機實現串口數據幀接收

3.3.2 協調器通信程序設計

該項目中協調器可以通過串口收發上位機數據，還可接收路由節點上傳的監測信息，而且協調器能以廣播方式發數據包給路由節點，主要實現兩個廣播功能：①上位機通過協調器設置各路由監測節點周期采集監測信息的周期值，一經設置路由監測節點就按新的監測周期采集數據然后以單播方式上傳協調器，協調器收到監測數據后立刻上傳上位計算機進行顯示和處理。②上位機通過協調器獲取路由監測節點是否正常連接在網絡上，這是通過發送廣播命令獲取各路由節點設備號（用戶程序定義的節點編號）實現的，每個收到該命令的路由節點以單播方式發送各自的節點編號給協調器。協調器程序實現流程如圖7所示。

3.3.3 路由節點通信程序設計。

路由節點采用單播（點對點）方式定時向協調器傳送監測數據。定時時間由協調器設定。因此二者程序代碼完全類似，只是目標地址不同。此外，所有節點都要實現串口通信，數據包的收、發，各參量的監測，模數轉換及協調器與上位機通信都要使用串口進行調試。下面給出核心函數處理過程。節點應用軟件運行流程如圖8所示。由圖7、8可知，無論單播通信還是廣播通信都使用函數AF_DataRequest（ afAddrType_t *dstAddr，endPointDesc_t *srcEP，uint16 cID，uint16 len，uint8 *buf，int8 *transID，uint8 options，uint8 radius ），單播與廣播方式由第1參數（目的地址）、第3個參數（傳輸編號）決定，單播時路由節點發送監測數據到協調器，目的地址=0x0000;廣播時協調器發送信息給所有路由節點，目的地址=0xFFFF。傳輸編號由用戶程序定義，只需單播與廣播定義不同的傳輸編號。

圖7 協調器用戶軟件運行流程

圖8 路由節點用戶軟件運行流程

4 結語

該研究完成了山區茶園基于ZigBee技術的無線監控網絡設計，實現了茶葉種植區內空氣溫濕度、土壤溫濕度及光照參數、CC2530供電電壓和工作溫度的周期采集和傳輸。在Zstack協議棧應用層編寫了基于事件處理的用戶程序，實現的主要功能包括：協調器及路由節點與上位計算機雙向通信;協調器與路由節點（路由監測節點，路由中繼節點）的廣播通信;路由節點與協調器的周期單播通信。系統經實際運行已證實：無線監測網路可靠性高，系統工作穩定，而且無須支付通信費，整體性能達到預期設計目標。

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