基于ZigBee的果園環境監測系統設計

張瑩

【摘 要】針對目前果園環境監測信息化水平低、人工勞動強度大等問題，設計了一種基于ZigBee無線組網技術的果園環境監測系統，該系統通過分布于果園中的傳感器節點采集環境參數，利用ZigBee和GPRS構建無線數據傳輸網絡，通過遠程數據中心對果樹生長環境進行動態監測，可為果樹的精準培育、科學種植提供有效的數據支持，該設計具有低成本、低功耗、易擴展、監測范圍廣、實時性好等特點，能滿足果園環境監測及信息化建設的需要。

【關鍵詞】ZigBee；CC2530；果園環境監測；網關

中圖分類號： TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0067-003

Design of Orchard Environment Monitoring System Based on ZigBee

ZHANG ying

（College of Mathematics and Physics，Weinan Normal University，Weinan Shaanxi 714099，China）

【Abstract】In this paper， an orchard environment monitoring system based on ZigBee wireless networking technology is designed to solve the problem of low level of informatization and low labor intensity.The system collects environmental parameters through sensor nodes distributed in orchards，Using ZigBee and GPRS to construct wireless data transmission network，dynamic monitoring of fruit tree growth environment through remote data center can provide effective data support for the cultivation of fruit trees and scientific cultivation.The design has low cost，low power consumption， easy expansion，Monitoring a wide range of real-time and other characteristics， to meet the orchard environment monitoring and information technology needs.

【Key words】ZigBee；CC2530；Orchard Environmental Monitoring；Gateway

陜西是全國果業第一大省，尤以蘋果種植最為著名，被聯合國糧農組織認定為世界最佳蘋果優生區，也是全球集中連片蘋果種植面積最大的區域。統計數據顯示，2016年陜西蘋果種植面積達70.4×104 hm2，產量1100×104 t，占全國總產量的1/4、世界總產量的1/7[1]。通過對陜西蘋果主產區白水、合陽、乾縣等地蘋果種植現狀的調查，發現大多數果園仍采用人工為主的粗放式管理方式，存在工作量大，費時費力，效率低下等問題，同時，不分地力水平依靠肥料提升產量，導致環境壓力加大，果品的優品率受到影響。實踐表明，果園的溫濕度、光照、土壤水分、氨氮含量、pH值等環境參數對果樹的生長和果實的產量、品質有著重要的影響[2-3]，快速、準確、有效地獲取果園環境參數是精準化、智能化、現代化管理的關鍵之一[4]。為提高果園環境監測的信息化水平、減小人工勞動強度，提出一種基于近距離無線通信技術ZigBee的果園環境監測系統，通過分布于果園中的傳感器節點采集環境參數，利用ZigBee和GPRS構建無線數據傳輸網絡，通過遠程數據中心對果樹生長環境進行動態監測，為科學合理種植提供數據支持。

1 總體設計方案

果園環境監測系統由3部分組成：數據采集傳輸網絡、網關及遠程數據中心[5]。根據ZigBee組網規范，每個ZigBee網絡中包含一個協調器節點和若干個終端節點，終端節點上連接著各種不同類型的傳感器，分布于果園中的不同監測區域，采集果樹生長環境中的溫濕度、光照、土壤水分、氨氮含量和pH值，周期性地以無線射頻的方式將采集結果發送到協調器；網關接收匯聚到協調器的傳感器網絡數據幀并提取出有效數據進行存儲，同時，網關上移植了嵌入式Web服務器Boa，并通過擴展GPRS模塊建立Internet連接，用戶使用瀏覽器即可實現B/S架構的遠程訪問。

2 硬件電路設計

2.1 ZigBee節點電路設計

在ZigBee網絡中，協調器節點和終端節點的電路組成是一樣的[6]。設計中選用了TI公司生產的CC2530F256芯片，該芯片是一款符合IEEE 802.15.4標準的無線射頻收發芯片，運行Z-Stack協議棧，芯片內部集成了一個增強型的8051內核、一個RF射頻收發核心、8kB的RAM和256kB的可編程FLASH，提供21個可編程I/O接口和2個UART接口，接收靈敏度-92dBm，發射功率+4.5dBm。通過組網測試，在無路由中繼的條件下，節點間有效通信距離僅為75m左右。由于果園中監測范圍較廣，射頻信號易受果樹遮擋而衰減，為提高通信距離，在CC2530電路中增加CC2592構成射頻前端[7]，電路如圖2所示。當CC2592工作在RX高增益模式下時，節點的發射功率將提高到+22dBm，發射距離將增加到350m左右。本設計中，ZigBee網絡采用星型拓撲結構，網絡中包含1個協調器節點和4個終端節點，其中，協調器節點通過UART接口與嵌入式網關相連，用于匯總、傳輸ZigBee網絡數據；4個終端節點通過I/O接口與溫濕度、光照、土壤水分及pH值等4種傳感器相連，用于采集分布區域內的果樹生長環境參數。endprint

2.2 傳感器檢測電路設計

設計中采用溫濕度傳感器模塊AM2301檢測環境中空氣的溫度和濕度[8]，溫度測量范圍-40℃～80℃，精度±0.5℃，濕度測量范圍0～99.5%RH，精度±3%RH，在電路連接方式上，只需將該模塊的SDA數據線與CC2530的P1.4口相連即可；光照度檢測選用數字式光照度傳感器BH1750FVI，測量范圍0～65535lux，精度±1lux，采用I2C協議與CC2530通信，設計時將該模塊的SCL、SDA引腳分別與CC2530的P1.5、P1.7口相連；土壤水分檢測選用HQTS土壤水分傳感器，測量范圍0～100%，精度±3%，采用RS485總線輸出；土壤pH值檢測選用PH-TRSJ土壤pH值傳感器，測量范圍0～14，精度可達±0.02，響應時間<10s，采用RS485總線輸出。由于CC2530不支持RS485總線協議，使用MAX3485芯片設計了RS485總線匹配電路。

2.3 網關硬件設計

選用Micro2440開發板作為網關硬件平臺[9]，該開發板核心處理器選用基于ARM920T內核的S3C2440，運行主頻400MHz，板載64MB的SDRAM和256MB的NAND FLASH，外部硬件資源豐富，完全可以滿足系統設計的需要。GPRS模塊選用SIM900A GSM/GPRS模塊，該模塊工作電壓5V，采用標準的AT指令集，支持語音和短信業務，可以通過撥號上網的方式連接到Internet。網關通過UART接口與ZigBee網絡協調器和GPRS模塊相連，通過在網關上移植了Sqlite輕型數據庫和嵌入式Web服務器Boa，用戶可通過遠程監測主機或手機實現監測數據的遠程訪問。

3 軟件設計

3.1 網關軟件設計

網關軟件采用VMware虛擬機在ARM-Linux交叉編譯環境中設計完成[10]。操作系統選用嵌入式Linux2.6，移植u-Boot作為Bootloader系統引導加載程序，根文件系統使用BusyBox創建，同時，在網關上移植了嵌入式Web服務器Boa和嵌入式數據庫Sqlite。由于ZigBee網絡協調器和GPRS模塊均通過UART接口與網關通信，在內核中添加并配置了串口驅動程序。應用程序主要完成傳感器網絡數據的接收和處理功能，當網關收到來自于ZigBee網絡協調器的數據傳輸請求后，利用串口協議對數據幀進行解析，提取出節點編號和傳感器數據形成新的數據幀保存到數據庫中，同時，與閾值進行比較，若有異常，通過GPRS模塊向用戶手機發送告警短信。通過為網關設置固定的IP地址，用戶使用瀏覽器就可以隨時隨地登錄系統，通過調用相應的CGI查詢程序查看環境監測結果。

3.2 ZigBee節點軟件設計

ZigBee節點軟件設計包括協調器軟件設計和終端節點軟件設計兩部分。協調器節點是ZigBee網絡的核心，負責網絡的建立和維護，以及數據和命令的匯總、處理、轉發等。接通電源后，協調器節點將首先執行系統啟動代碼以完成硬件平臺和軟件架構的初始化，包括初始化系統時鐘、堆棧、存儲器和其它硬件模塊，初始化MAC層、應用層協議，啟動OSAL操作系統。然后，協調器節點將對DEFAULT_CHANLIST中指定的信道進行能量掃描，選擇其中一個信道并在其上形成網絡，同時為網絡設置網絡標識（PANID）并創建綁定表。此后，協調器將向廣播信標幀，如果收到合法節點的入網請求會將該節點加入到網絡中，并為節點分配一個16位的網絡地址，在收到節點發送來的數據后，通過串口轉發到網關。終端節點初始化過程與協調器節點相同，初始化后，終端節點掃描DEFAULT_CHANLIST中指定的信道，選擇網絡標識為ZDAPP_CONFIG_PAN_ID定義的網絡并申請加入，成功入網后，將周期性地采集傳感器數據并以無線射頻的方式發送到協調器節點，考慮到終端節點使用電池供電，設計中采用休眠-喚醒機制以節省節點能耗。

4 系統測試

4.1 ZigBee網絡通信可靠性測試

選擇校園中一片小樹林對ZigBee網絡的通信可靠性進行了測試。用1個協調器節點和1個終端節點組建ZigBee網絡，由終端節點周期性地向協調器節點發送雙字節數據包，發送速率為10個/s，數據包量為500個，不斷調整協調器節點與終端節點間的距離，通過TI Packet Sniffer軟件對協調器收到的數據包進行分析，得到如表1所示的測試結果。當終端節點與協調器節點間的距離>120m后，數據丟包率明顯增高，這是由于無線射頻信號受到測試環境中樹干、樹枝等的遮擋所致，因此，在實際應用中，部署節點時應注意終端節點與協調器節點間的距離應<120m。

4.2 環境參數采集功能測試

采用5個ZigBee節點設備構成一個星型網絡，其中1個節點設備作為網絡協調器，通過串口連接到網關，其余4個節點設備連接不同的傳感器，部署在小樹林中的不同區域，采集環境中的空氣溫濕度、光照度、土壤水分和土壤pH值，從2017年5月17日上午9：00至中午12：00連續監測3小時，通過瀏覽器登錄到監測系統主界面，查詢得到如圖3所示監測結果，結果表明，系統數據采集功能正常，運行穩定可靠。

5 結束語

將傳感器技術、嵌入式技術和ZigBee無線組網技術應用于果園環境監測系統，可實時、準確、高效采集果樹生長環境中的溫度、濕度、光照、土壤含水量等參數，利用嵌入式網關和Web服務器，可實現監測數據的遠程查詢，為果樹的精準培育、科學種植提供了有效的數據支持。該設計具有低成本、低功耗、易擴展、監測范圍廣、實時性好等特點，能滿足果園環境監測及信息化建設的需要。

【參考文獻】

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