適用于山區(qū)農業(yè)的ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)設計

陳斌 李世紅 徐娜

摘要：為有效解決偏遠山區(qū)無人值守的農業(yè)基地環(huán)境參數(shù)的實時采集監(jiān)測難題，提高農產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量，增加農民收益，設計了一種適用于山區(qū)農業(yè)的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的精細農業(yè)無線監(jiān)測系統(tǒng)。結果表明，該系統(tǒng)采用多級樹簇型網(wǎng)絡結構、CC2530芯片核心的無線數(shù)字通信模塊，用戶可以通過智能手機端或者PC電腦對系統(tǒng)進行登錄訪問，實現(xiàn)對遠程農業(yè)基地進行無線監(jiān)測。

關鍵詞：ZigBee;無線監(jiān)測系統(tǒng);精細農業(yè);無線傳感器網(wǎng)絡

中圖分類號：TP393 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）02-0457-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.052

Designing Wireless Monitoring System of Mountain Agriculture Based on ZigBee

CHEN Bin1，2，LI Shi-hong1，2，XU Na1，2

（1. Wenzhou Vocational College of Science and Technology， Wenzhou 325006， Zhejiang， China;

2. Wenzhou Academy of Agricultural Sciences， Wenzhou 325006， Zhejiang， China）

Abstract： In order to effectively solve the problem of real-time monitoring remote and large agricultural base in mountainous areas， improve the quality of agricultural production and increase income of farmers， the wireless monitoring system of precision agriculture based on ZigBee wireless sensor network was designed. The results showed that the system used a multi-stage cluster tree network structure， wireless digital communications module based on CC2530 chip core. The users can use smart phone or PC to access the system and monitor the remote agriculture bases in mountain.

Key words： ZigBee; wireless monitoring system; precision agriculture; wireless sensor networks

我國大部分的農業(yè)基地是在山區(qū)，而精細農業(yè)需要對農業(yè)基地的溫度、濕度、光照度等參數(shù)進行實時監(jiān)測。對于邊遠山區(qū)的農業(yè)基地來說，按傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段來實施的話，難度非常大。因此，本研究設計了一種精細農業(yè)無線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于ZigBee技術[1]構建的無線傳感器網(wǎng)絡為基礎，采集山區(qū)農業(yè)基地的溫度、濕度、光照度等參數(shù)，結合研發(fā)的應用管理軟件對農業(yè)基地進行遠程監(jiān)測，該系統(tǒng)具備長期工作、智能運轉、無人值守等優(yōu)點。

1 ?系統(tǒng)總體結構

本系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。ZigBee網(wǎng)絡中的節(jié)點設備可分為協(xié)調器（Coordinator）、路由器（Router）、終端節(jié)點（EndDevice）等3種。在每個農業(yè)基地監(jiān)測現(xiàn)場構建一個多級樹簇型網(wǎng)絡結構的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，布置一個協(xié)調器節(jié)點、多個路由器節(jié)點、眾多的采集終端節(jié)點。每個路由器節(jié)點以及子節(jié)點自形成一個簇，如果子節(jié)點是路由器的話，該子節(jié)點再形成一個簇，如此拓展，形成多級樹簇型網(wǎng)絡。采集終端節(jié)點上配置了溫度、濕度、光照度等多種傳感器，實現(xiàn)對溫度、濕度、光照度等多種參數(shù)的實時監(jiān)測。同時配備了太陽能模塊給節(jié)點持續(xù)供電，以便節(jié)點可以持續(xù)進行工作。嵌入式網(wǎng)關負責無線傳感器網(wǎng)絡和服務器之間的數(shù)據(jù)交互，把采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)指令發(fā)送給云端服務器。在應用程序層面研發(fā)了基于3層架構的web應用管理系統(tǒng)，以供用戶使用PC端和智能手機端通過因特網(wǎng)來登錄系統(tǒng)，獲取指定農業(yè)基地的實時監(jiān)測信息，從而達到用戶在任何時間任何地點可以對指定的農業(yè)基地進行實時監(jiān)測的目的。

2 ?系統(tǒng)硬件設計

2.1 ?芯片選型

傳感器節(jié)點的芯片采用TI公司的CC2530芯片。該芯片是兼容IEEE802.15.4的片上系統(tǒng)，支持專有的ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標準。101dB的鏈路具有良好的抗干擾性以及高靈敏度。此外還擁有多種供電模式以及一套廣泛的外設集，包括2個USAR、12位ADC和21個通用GPIO，具有良好的RF性能，配置了標準增強的8051MCU內核，還支持低功耗無線通信。CC2530可以應用到智能家電控制、遠程控制、消費型電子、計量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療等領域。根據(jù)芯片內置內存的不同容量，CC2530擁有3種不同的版本。相比第一代CC2430，CC2530提供了具備強大的地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎，能夠很好的匹配RF前端，而且封裝更小以及支持ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE。內部分為3類模塊：CPU和相關存儲器模塊、時鐘和電源管理模塊、無線模塊。

2.2 ?無線傳感網(wǎng)節(jié)點硬件設計

本系統(tǒng)中終端節(jié)點和路由器節(jié)點是采用相同的硬件結構，只是在啟用的時候分配的角色不一樣，節(jié)點根據(jù)自己的角色運行相應的功能程序。無線傳感網(wǎng)節(jié)點由無線通信模塊、傳感模塊、電源板模塊等部分構成，如圖2所示。

1）無線通信模塊。溫室大棚中傳感節(jié)點間的通信距離一般在十幾米之內就可以滿足系統(tǒng)需要[2]，而在野外山區(qū)環(huán)境里顯然需要更遠的有效通信范圍來滿足實際需要。為了適應山區(qū)環(huán)境，增加傳感器網(wǎng)絡的覆蓋范圍，以及從性能、尺寸、成本等多方面考慮，選擇功率相對較大的倒F天線。

2）傳感模塊。系列傳感模塊包括溫度傳感模塊、濕度傳感模塊、光照度傳感模塊等[3]。不同的農業(yè)基地，由于農產(chǎn)品不同，需要監(jiān)測不一樣的環(huán)境參數(shù)，可以通過總線擴展用戶自己的傳感器部件，加入各種各樣的傳感器[4]。其中溫度、濕度傳感器模塊采用的是SHT11。SHT11系列為貼片型溫度、濕度傳感器，具備全量程標定，兩線數(shù)字輸出;濕度測量范圍：0～100% RH;溫度測量范圍：-40～123.8 ℃;濕度測量精度：±3%RH;溫度測量精度：±0.4 ℃;響應時間：8 s（tau63%）;低功耗80 μW（12位測量，1次/s）;可完全浸沒。

3）電源板。即實現(xiàn)節(jié)點模塊與傳感模塊的連接，又實現(xiàn)系統(tǒng)供電，可以由兩節(jié)電池供電。保留外接電源接口，可以直接由直流電源供電，也可以接上太陽能供電模塊。太陽能供電可以解決野外長時間無人值守的問題，而且還節(jié)能環(huán)保。本系統(tǒng)是針對山區(qū)環(huán)境的，不像溫室大棚里的ZigBee系統(tǒng)[5]可以直接由棚內直流電源供電。因此，本系統(tǒng)的節(jié)點所配備的太陽能電池板都相對較大，尤其是協(xié)調器和路由器節(jié)點擔負的任務較多，太陽能電池板也配備得更大。

3 ?系統(tǒng)軟件設計

3.1 ?傳感節(jié)點協(xié)議棧設計

本系統(tǒng)中的傳感節(jié)點協(xié)議棧Z-Stack，是基于輪轉查詢式操作系統(tǒng)的協(xié)議棧。協(xié)議棧總體上來說，它一共做了兩件工作，一個是系統(tǒng)初始化工作，即由啟動代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)需要的各個模塊;另外一個就是開始執(zhí)行操作系統(tǒng)。

1）系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)啟動代碼需要完成初始化硬件平臺和軟件架構所需要的各個模塊，為操作系統(tǒng)的運行做好準備工作，包括初始化系統(tǒng)時鐘，檢測芯片工作電壓是否正常，初始化內存堆棧，初始化各個硬件模塊，初始化FLASH存儲、芯片MAC地址，初始化非易失變量，初始化MAC層協(xié)議，初始化應用幀層協(xié)議，初始化操作系統(tǒng)等。

2）操作系統(tǒng)的執(zhí)行。啟動代碼為操作系統(tǒng)的執(zhí)行做好準備工作以后，就開始執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序，并將控制權完全交給操作系統(tǒng)，自己則光榮地退出舞臺。

3.2 ?協(xié)調器節(jié)點軟件設計

根據(jù)系統(tǒng)設計方案，協(xié)調器不僅要負責建立無線傳感網(wǎng)，還要維護網(wǎng)絡以及其他任務：傳輸網(wǎng)絡信標、管理網(wǎng)絡節(jié)點并存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息數(shù)據(jù)，提供關聯(lián)節(jié)點之間的路由信息表;存儲一些重要的傳感網(wǎng)基本數(shù)據(jù)信息，如節(jié)點數(shù)據(jù)設備、數(shù)據(jù)轉發(fā)表、設備關聯(lián)表等[6]。

協(xié)調器節(jié)點因為任務繁重，所以相對其他節(jié)點，它具備更強大的硬件資源和穩(wěn)定可靠的供電，采用直流電供電和太陽能供電雙通道。協(xié)調器開始建立網(wǎng)絡后，先為本網(wǎng)絡選擇一個網(wǎng)絡標識符，并將自己的網(wǎng)絡地址（短地址）設置為0，然后開始向鄰近的節(jié)點設備發(fā)送信標，接受其他節(jié)點的連接，形成樹型拓撲結構的第一級，協(xié)調器與這些設備之間形成父子關系。連接到網(wǎng)絡里的節(jié)點設備都分配了一個16位的網(wǎng)絡地址。協(xié)調器節(jié)點的軟件設計流程如圖3所示。

3.3 ?終端節(jié)點軟件設計

根據(jù)系統(tǒng)設計方案，終端節(jié)點作為數(shù)據(jù)的采集節(jié)點，系統(tǒng)啟動后接入網(wǎng)絡，協(xié)調器會為它分配一個惟一的16位網(wǎng)絡地址。然后通過節(jié)點上配置的溫度、濕度傳感器、光照度傳感器、CO2傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到自己所屬的路由節(jié)點（父節(jié)點），路由節(jié)點轉發(fā)給協(xié)調器節(jié)點，然后再通過協(xié)調器節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)服務器。

在野外，傳感網(wǎng)節(jié)點的供電是個難題，即使采用太陽能供電也要考慮能量的消耗問題，因為如果天氣連續(xù)幾天沒有太陽的話，節(jié)點很容易因為沒有能量而關閉。所以采用喚醒-休眠的方式，需要終端節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)時喚醒節(jié)點，采集完成上傳數(shù)據(jù)后節(jié)點進入休眠狀態(tài)，等待下一次喚醒，以此來盡量提高電能的使用效果，延長工作時間。終端節(jié)點的軟件設計流程如圖4所示。

每個終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包可以用一個結構體來表示，包含該節(jié)點的設備類型、網(wǎng)絡地址、父節(jié)點地址、采集的數(shù)據(jù)等。

3.4 ?路由節(jié)點程序執(zhí)行流程

ZigBee路由器節(jié)點的功能主要是：允許其他設備加入網(wǎng)絡，多跳路由。路由器節(jié)點啟動后，以路由節(jié)點的身份與協(xié)調器建立連接，加入網(wǎng)絡，協(xié)調器會為它分配一個地址塊（包含有若干16位網(wǎng)絡地址）。路由器根據(jù)它接收到的協(xié)調器信標的信息，配置并發(fā)送它自己的信標，允許其他的設備與自己建立連接，成為子節(jié)點。這些子節(jié)點可能是終端節(jié)點，也可能是路由器，如果是路由器節(jié)點的話，那它們也可以有自己的子節(jié)點，按這個方式拓展下去就形成了多級樹簇型結構的網(wǎng)絡[7]。路由節(jié)點的軟件設計流程如圖5所示。

3.5 ?上層應用管理軟件設計

上層應用管理軟件采用三層B/S模式，方便維護和更新，應用管理軟件提供了顯示環(huán)境參數(shù)實時曲線圖、節(jié)點資源列表、統(tǒng)計報表等多種功能，滿足用戶需求[8]。用戶可以在任何時間任何地點使用智能手機或者PC電腦，登錄系統(tǒng)，實時對農業(yè)基地進行遠程監(jiān)測[9]。系統(tǒng)對于監(jiān)測到的異常情況，會以短信、電話等方式向用戶實時報警。上層應用管理軟件運行界面如圖6所示。

4 ?小結

本研究設計了適用于山區(qū)農業(yè)基地的精細農業(yè)無線監(jiān)測系統(tǒng)，在網(wǎng)絡設計上采用多級樹簇型結構，傳感節(jié)點的能量來源上采用太陽能充電技術等方式，有效地解決了偏遠山區(qū)無人值守的農業(yè)基地環(huán)境參數(shù)的實時采集監(jiān)測難題。用戶可以在任何時間任何地點使用智能手機或者PC電腦等方式來登錄系統(tǒng)，實時對農業(yè)基地實現(xiàn)遠程的監(jiān)測。系統(tǒng)對于監(jiān)測到的異常情況，比如氣溫過低、濕度過高等問題，會自動以短信、電話方式向用戶實時報警。

參考文獻：

[1] FARAHANI S. ZigBee Wireless Networks and Transceivers[M].USA：Newnes，2008.

[2] 王銀玲，孫 ?濤.溫室環(huán)境監(jiān)測中無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計[J].農機化研究，2011，33（3）：113-117.

[3] 汪銀芳，馬世偉.一種基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)研究與設計[J].測控技術，2013，32（1）：14-18.

[4] 王文成，常發(fā)亮.溫室大棚溫濕度無線測控系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2011（3）：98-103.

[5] 袁志強.基于ZigBee技術的溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].江蘇農業(yè)科學，2012，40（11）：396-397.

[6] 鄭寶周，李富強，吳莉莉，等.基于ZigBee和GPRS技術的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].江西農業(yè)學報，2013，25（3）：107-110.

[7] 龔一朋，李子明，王澤林，等.基于ZigBee技術的多點應變監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].交通信息化，2013，（23）：157-159.

[8] 陳智偉，蘇維均，于重重，等.基于WSNs的農業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（7）：82-87.

[9] 張小斌，鄭可鋒，張建成，等.無線傳感網(wǎng)在浙江設施農業(yè)大棚中的應用探討[J].浙江農業(yè)學報，2011（3）：25-27.