基于ZigBee協議的果園環境信息遠程監測系統

馮春衛

（楊凌職業技術學院 陜西 楊凌 712100）

基于ZigBee協議的果園環境信息遠程監測系統

馮春衛

（楊凌職業技術學院 陜西 楊凌 712100）

為方便果園管理和果樹環境信息采集，設計并實現了一種利用ZigBee協議傳輸環境數據的果園環境信息遠程監測系統。此系統采用支持ZigBee、低功耗的無線傳感器節點組成樹狀無線傳感器網絡，由前端傳感節點將采集的土壤溫度和濕度、果樹葉片溫度和濕度和光照強度信息數據發送到支持ZigBee和WLAN的協調器，再由協調器通過WLAN網絡上傳到數據管理服務器。實驗結果表明，該系統能傳輸監測的環境數據，設計可行性良好，系統運行效果滿足實際要求。

ZigBee；果園；環境信息；遠程監測

近幾年來，隨著我國農業種植結構的調整和不斷完善，果樹的種植面積也在日益擴大[1]。種植面積雖然逐漸變大，但是果品質量提升緩慢。果品市場上低檔果品賣難和優質果品供不應求的形勢已初步反應出了果品質量在果品銷售環節占很大影響因素。果園的環境直接影響果樹的生長狀況，影響了果園內水果品質和產量。為了提高果品質量，應采取措施實施監測果園內環境信息，以及時采取措施保證果樹時刻處于最佳生長環境。果園生態環境和果樹長勢多媒體信息的自動化監測對農業現代化管理和農業信息化建設有著重要意義。研究表明，果園土壤溫度和濕度、果樹葉片溫度和濕度和光照強度等環境因素對果樹的健康生長、果園的可持續發展有重要的意義。目前，果園土壤溫濕度等環境信息保持主要依靠自然資源。果園環境信息單純依靠人工采集難度大、效率低、成本高，難以實現長期有效的監測管理，因此建立果園環境信息自動監測系統，及時、全面、準確地獲取果園環境信息，對提高果園產量和果品品質均具有重要推動作用。

在國內已有專家對果園環境信息采集進行研究，周仁東等基于無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）對果園環境監測系統的節點進行了設計[2]；趙文星對果園環境智能監測系統及模型進行了研究，最終實現了果園環境智能監測系統[3-4]；胡衛華基于CDMA20001xEV-DO技術設計了果園環境監控系統[5]；任肖麗等利用GPRS技術對在線環境監測系統展開研究[6]；楊嘉鵬運用GPRS與ZigBee技術實現了果園監控系統[7]；安康等設計了物聯感知與GSM相融合的果園環境監測系統[8]；端木森嘉基于Zigbee技術設計了果園監測節點[9]；周立等利用Zigbee協議設計并實現了移動式環境監測系統[10]；Li S利用CAN總線技術實現了環境監測系統[11]；本課題利用ZigBee構建WSN網絡，采集節點與ZigBee邊緣器（ZigBee網關）利用ZigBee協議通信，數據管理服務器和ZigBee邊緣器采用WLAN通信，這樣的設計有助于支持WIFI的手機查詢環境信息采集傳感器狀態及方便用戶通過WIFI網絡訪問數據管理服務器。采集的果園環境數據通過WSN可以發送到數據管理服務器，用戶可以登錄數據管理服務器實時監測果園的環境信息。此系統可方便果園管理者多維度實時掌握果樹的生長環境信息，及時迅速地采取有效的干預措施。

1 遠程監測系統的總體設計

系統主要由ZigBee無線傳感器網絡、ZigBee協調器、傳輸網絡（WLAN網絡）、終端用戶及數據管理服務器4部分組成，如圖1所示。

圖1 遠程監測系統總體架構圖

ZigBee無線傳感器網絡由支持ZigBee傳感器節點組成，其負責采集果園的土壤溫度和濕度、果樹葉片溫度和濕度、土壤含水量和光照強度等環境信息，然后將采集的信息通過自組網協議ZigBee發送到ZigBee協調器。ZigBee協調器由支持ZigBee傳感器節點和支持WIFI的網絡模塊組成，其負責組建ZigBee無線傳感網絡和WLAN傳輸網絡。ZigBee協調器將收到的環境信息通過WLAN傳輸網絡轉發到數據管理服務器及用戶。傳輸網絡可以是3G/4G網絡或WLAN，出于節約成本的考慮，本課題選用WLAN作為傳輸網絡。WLAN將采集的數據信息傳輸到數據管理服務或用戶手機，用戶可以通過訪問數據管理服務器或用手機直接監測果樹的生存環境。

2 ZigBee協調器及傳感器節點設計與實現

2.1 ZigBee傳感器節點

2.1.1 硬件框架

系統中的ZigBee傳感器節點硬件框架主要包括RF收發器、微處理器（MCU）及傳感單元3大組成部分，具體設計如圖2所示。

圖2 ZigBee傳感器節點硬件框架圖

ZigBee傳感器節點通過RF收發器接收來自ZigBee協調器的數據，MCU對數據進行處理，并將傳感單元感知并采集的壞境信息數據進行處理和封裝，通過RF收發器發送給ZigBee協調器。ZigBee傳感器節點的MCU采用32位ARM Cortex-M3處理器，RF收發器采用CC2630射頻芯片。

2.1.2 軟件框架

ZigBee傳感節點加電后，設備開始初始化，等待加入無線傳感器網絡，加入到網絡后，傳感器節點進人低功耗的休眠模式。一旦接收到協調器發送來的數據包，則會進入喚醒方式接收數據包。如果接收的是采集命令，則控制傳感器采集數據；如果接收的命令是控制命令，則完成控制操作。采集數據完成后，ZigBee傳感節點將采集的數據發送給協調器；完成控制操作后，將返回的信息發送給協調器。發送數據或消息給協調器后，傳感器節點等待協調器確認消息，在最大等待時間內收到確認消息，則完成了本次服務；反之，則重新發送數據或消息。完成服務后，ZigBee傳感器節點再次進入低功耗模式，等待協調器的命令，具體程序設計流程如圖3所示。

2.2 ZigBee協調器

2.2.1 硬件框架

系統中的ZigBee協調器硬件由ZigBee傳感器節點和WIFI模塊組成，兩部分通過串口相連接。具體設計如圖4所示。

圖3 ZigBee傳感器節點軟件設計流程圖

圖4 ZigBee協調器硬件框架圖

ZigBee協調器的功能在于：

1）連接WSN與IPV4/IPV6網絡，實現數據包的路由轉發，ZigBee協調器從WLAN接口接收IPV4/IPV6網絡的數據包，MCU對數據包進行處理，并將處理的數據包通過RF收發器發送到ZigBee無線傳感器網絡。

2）ZigBee協調器通過RF收發器接收傳感器節點發送的數據包，經過MCU處理后通過WLAN接口將數據包發送到IPV4/IPV6網絡。

ZigBee協調器選用TI公司的CC2630和ESP8266-14串口WIFI模塊 ，CC2630自帶強大的ARM Cortex-M3，128KB系統內可編程閃存，8KB緩存靜態 RAM（SRAM），封裝符合 RoHS標準4mm×4mm RSM QFN32（10個 GPIO），支持 8個電容感測按鈕，集成溫度傳感器和2.4GHz RF收發器。ESP8266-14是一款低成本WIFI-MCU通訊/控制模塊，內置ESP8266 WIFI通訊IC和STM8003單片機，該模塊內置了一個功能強大的STM8003的芯片，其串口與ESP8266的串口相連，用戶可以編寫STM8程序，通過AT指令控制WIFI物聯網功能。

2.2.2 軟件框架

ZigBee協調器通過WIFI模塊接收到上位機的控制命令，通過組建的ZigBee網絡發送給ZigBee節點。ZigBee節點接收到命令消息后開始執行，完成后將最終的信息發送給ZigBee協調器。ZigBee協調器的主要功能就是接收或發送來自Zigbee網絡和IPV4/IPV6網絡的數據報文。具體軟件工作流程如圖5所示。

圖5 ZigBee協調器軟件設計流程圖

3 數據管理服務器

數據管理服務器運行的上位機軟件采用LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）平臺開發[12-13]。LabVIEW采用功能豐富的圖形化語言編程，面向普通用戶而不是專業人員[14-15]。LabVIEW平臺可以運行多種不同的操作系統平臺，應用于儀器控制、數據采集、數據分析、數據顯示等領域[12]。數據管理軟件主要功能是數據管理，具體包括數據存儲和數據分析兩大功能。根據系統功能需求，可將系統軟件劃分為數據接收模塊、數據類型設置模塊、數據庫管理。數據接收模塊通過ZigBee協調器實時監聽數據管理服務器的IP地址和傳輸端口來等待數據采集節點發送數據的指令，收到指令后利用無線網卡將數據傳送到數據管理服務器。數據類型設置模塊可實現數據格式設置，數據庫管理模塊是利用數據庫的儲存和查詢功能管理采集到的果園環境信息數據[12]，方便果園管理者或農業科技人員通過數據庫查詢模塊實時了解果園環境信息，及時采取有效干預措施。

4 系統數據處理

系統傳感器節點和協調器加電之后立刻初始化，組建ZigBee傳感網絡成功后，傳感器節點等待上位機的指令以采集環境數據；數據采集成功后，存儲至數據管理服務器，通過數據管理服務器可以執行運行控制、查詢和配置等命令，具體數據流程如圖6所示。

圖6 數據流程圖

5 系統試驗驗證

5.1 溫度傳感實驗

在實驗室里布置3個ZigBee傳感器節點和一個ZigBee協調器，協調器通過有線接口路由器跟PC測試機相連，PC機上安裝Windows系統。

1）安裝ZigBee_Sensor_Monitor_1.2.0和ZStack軟件在Windows上。

2）在ZigBee傳感器節點安裝DS18B20 TO-92溫度傳感器，配置ZigBee協調器。

3）啟動ZigBee Sensor Monitor，可以看見傳感的溫度。

驗證實驗表明，傳感溫度的ZigBee網絡組網成功，此網絡可以傳輸溫度數據信息。

5.2 數據傳輸實驗

在溫室大棚中布置3個傳感節點，3個傳感節點分別連接溫度傳感器、光強傳感器、濕度傳感器，對溫室大棚的溫度、光照、濕度進行監測，對采集的3種環境數據進行分析和處理，并對溫室大棚內不同距離的數據傳輸進行測試。在測試結果里隨機選取了4組數據，如表1所示。

表1 數據傳輸實驗結果

實驗結果表明ZigBee傳感器節點和和ZigBee協調器之間的距離越短，數據傳輸越精確，傳輸速度越高。

5.3 系統監測精度實驗

系統正常運行后，在2016年7月28日早上8點到晚上18點在學校溫室大棚內監測溫度、濕度。采用機械式溫濕度表實測大棚內溫度、濕度，將遠程采集的數據和實測的數據經行對比分析，以驗證系統監測精度，實驗測試對比結果如圖7、圖8所示。

圖7 溫度對比實驗結果

圖8 濕度對比實驗結果

通過對比實驗可知，實測數據和遠程傳感數據誤差較小，系統監測精度較高。

6 結 論

本課題設計并實現了基于ZigBee協議的果園環境信息遠程監測系統，此系統利用ZigBee網絡將采集的果園環境信息發送到互聯網，用戶通過訪問互聯網來實時監測果園環境信息。試驗測試表明，此系統通過ZigBee網絡傳輸數據，果園管理人員或科技人員可以遠程監測果樹生長信息，為及時迅速地采取有效的干預措施提供科學依據。

[1]夏雪.基于3G網絡的蘋果園環境監測系統設計[D].北京：中國農業科學院，2014.

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[6]任肖麗，陳佳喜，王驥.基于GPRS技術在線環境監測系統的研究[J].現代電子技術，2015（4）:60-62.

[7]楊嘉鵬.基于ZigBee與GPRS的果園監控系統設計與研究[D].大連：大連理工大學，2015.

[8]安康，方凱磊，李靜.融合物聯感知與GSM的果園環境監測系統設計[J].杭州師范大學學報：自然科學版，2012（3）:269-274.

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Orchard environment information remote monitoring system based on ZigBee

FENG Chun-wei
（Yangling Vocational&Technical College，Yangling 712100，China）

In order to facilitate the management and information collection of Orchard，this paper designed and realized a Orchard environment information remote monitoring system with ZigBee protocol used to transmit environmental data.The designed system has adopted the wireless sensor node which supports ZigBee and boasts low-power consumption，to form tree wireless sensor network.The information data collected of soil temperature and humidity，tea leaf temperature and humidity as well as illumination intensity，through front-end sensor node，will be sent to the coordinator which supports ZigBee and WLAN,and then the coordinator will upload the data through WLAN network to data management server.Test results show that this system can transmit the environmental monitoring data and have good design feasibility,and in addition,its operation results can meet the demands of reality.

ZigBee； orchard；environment information；remote monitoring system

S126；TN926

A

1674－6236（2017）16-0112-05

2016-08-17稿件編號：201608129

楊凌職業技術學院科學研究基金項目（A2015006）

馮春衛（1982—），男，陜西咸陽人，碩士，講師。研究方向：智能物聯網應用研究。