基于ZigBee的土壤沙化程度監控分析系統的應用探索

孫旭杰 王佳偉 楊 濤 盧會會 姚小雪

（南京工程學院，江蘇省南京市 211167）

隨著科學技術的高速發展，信息通訊技術、計算機網絡技術及物聯網技術等被廣泛應用到工業及生活的各個領域，也推動了農業與環保技術的進一步發展。在環保領域，土地沙漠化一直是一個備受關注的問題，其中由于農業用地的過度開墾及所處環境的季節性變化，使土壤的沙化風險逐漸增加，然而一般農業設備無法檢測土壤的沙化程度，且傳統的土壤沙化程度測量方法既復雜又成本較高。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）以其節點高密度、大范圍、強動態性的特色，可實現土壤沙化水平的信息收集與傳輸；ZigBee技術是一種低速、適用于短距離傳輸的無線組網技術，具備低成本、低功耗、支持大量收集節點、支持多種收集拓撲、復雜度低、快速、可靠、安全等特色，能滿足動態、智能、實時監控的要求[1]。鑒于此，筆者設計了一套基于ZigBee的土壤沙化水平監控分析系統，實現了無人監控、遠程監控、遠程分析，極大程度地保證了對易沙化地區土壤的及時保護?，F擬對該系統的設計、硬件、軟件進行詳細介紹，并通過試驗應用案例分析，論證該系統的實用性和合理性。

1 系統的設計

在本系統中，設計感知節點作用于溫度、濕度、光強、風速、土壤酸堿度的數據收集與無線傳輸；組建ZigBee網絡的任務主要由協調節點負責，將感知節點接收的數據經由端口傳送到PC端；PC端通過監測軟件獲取土壤的各參數數據并將結果顯示出來，用戶可遠程讀取并對各參數進行快捷有效的監控分析。系統結構見圖1。

圖1 系統結構

2 系統的硬件

2.1 CC2530模塊

本系統應用TI公司的CC2530單片機作為主控芯片，其優點主要有：（1）CC2530內容集成有2.4 GHz符合IEEE.802.15.4規范的DSSS射頻收發器，具有良好的無線接收能力和防干擾能力，且具備一個加強的8051控制器；（2）具備256 kB的可編程Flash和8 kB的RAM[2]；（3）芯片集成8通道12位ADC（模數轉換器）、128位AES加密解密安全協處理器、休眠模式定時器等[2]；（4）芯片的集成度較高、抗外界干擾能力強、功率消耗較低，且可以發出指令、讀取狀態、自主工作和明確無線設備事件的順序。

2.2 節點供電電源

電源的作用主要是為單片機、傳感器等供電，在本系統中單片機與傳感器的供電電壓不同，傳感器為5 V，單片機為3.3 V?，F選取較高供電電壓，即5 V鋰電池，但給單片機供電還需轉換電平，因此在本系統中還要添加一個電平轉換功能。經研究，選擇使用的電平轉換芯片為TPS79533,輸入電壓為2.7～5.5 V,輸出電壓為3.3 V[3]。本系統設計的電源供電硬件的原理見圖2。

圖2 電源模塊電路

2.3 環境感知模塊

環境感知模塊主要通過CC2530獲得溫度、濕度、光強、風速、土壤酸堿度等信息。通過前端的傳感器獲得相應的信號，再通過A/D轉換輸入到CC2530單片機的I/O口，從而獲得當前的感知信息。下面以溫濕度傳感器為例，介紹CC2530獲取環境感知信息的過程，見圖3。其他傳感器節點原理與此相似，故不再贅述。

圖3 溫濕度傳感器節點模塊

溫濕度傳感器SHT11通過P1.0和P1.1與CC2530相連，P0.0端口作用于溫濕度傳感器的電源開關，見圖4。

3 系統的軟件設計

3.1 節點軟件設計

該系統軟件是基于TI公司的Z-Stack協議棧開發[4]。在本系統中，由于棧協議以操作系統的形式表現，因此所有的操作都被認為是任務或者事件。

圖4 SHT11通信原理

協調器在經過初始化后完成網絡建設，網絡建立后，協調器控制數據由傳感器節點向PC端進行傳輸。有兩個任務需要在傳感器與節點交互之后完成：（1）每隔10 s向協調器發送1個信息包，PC端經由過程統計單元時間段內收到的數據包的數目，感知傳感器節點是不是處于正常工作狀態[5]。（2）每隔1 h向協調器節點傳輸1次土壤各個參數的數據。傳感器檢測到的模擬電壓信號在處理后變為各個參數的具體數據[5]，通過通信電路發給CC2530。

協調器啟動后，包括無線電通道等在內的初始化即開始進行，緊接著定義相關配置及節點，接著網絡便開始工作，見圖5。Z-Stack以操作系統的形式出現[5]，完成組網和硬件初始化工作后便可進行數據的傳遞。路由器節點與協調器節點的開啟與作用過程基本相似，前者比后者多進行兩項工作：（1）向后者發送信息包；（2）向后者發送土壤各個參數的數據。

圖5 節點軟件流程

3.2 上位機監控

如圖6所示，通過后臺服務器，在上位機監控軟件中可以了解網絡中每個節點的IEEE地址、網絡地址、傳感器的歷史數據和實時數據。在同等情況下，可以對參數進行自定義改變，從而更加方便地進行土壤各參數數據的分析以及沙化程度的研究。

圖6 上位機監控流程

4 試驗應用案例及應用效果

4.1 基于ZigBee無線傳感器的農業灌溉監控系統的應用[6]

該系統以CC2530芯片為核心，選用SHT11溫濕度傳感器、BH1750光強度傳感器，合理設計了傳感節點，并運用IAR7.60編程軟件基于協議棧對軟件部分進行了設計。在試驗時，室內測試中，系統組網、通信、閥門控制全部正常；室外測試中，單點通信距離在無障礙物的情況下測得130 m左右為最佳通信距離、有障礙物的情況下70 m為最佳通信距離，光照強度的測得值偏差可控制在5%以內，系統采集的溫度誤差可控制在1 ℃以內、濕度誤差可控制在2%以內。經檢驗，該系統雖然存在一定的測量誤差，但全部誤差都在合理范圍內，對于農田系統的灌溉幾乎不會產生影響，故該系統具備在農田中實際應用的可行性。

4.2 基于ZigBee無線網絡的土壤墑情監控系統的應用[5]

該系統基于CC2430和CC2591進行開發，選用BD-1型土壤水分傳感器對土壤進行水分參數的采集，并選用200-PGA電磁閥進行控制。經過相似的節點連接及軟件設計后，該系統同樣進行了試驗。在試驗中，測得當節點高度為1.5 m時通訊質量最高，在該高度下，節點相距300 m時，通訊質量仍可滿足工程需要，且網絡即使在大雨天氣也能保持86%以上的數據包接受率，網絡穩定性高。通過對比土壤8 cm深處和20 cm深處的水分含量，并對比降雨前后土壤濕度的數據，驗證了該系統測得數據的可靠性。

4.3 農業大棚智能控制系統的應用

ZigBee農業大棚智能控制系統，通過在農業大棚內布置已嵌入ZigBee模塊的溫度、濕度、光照等傳感器，對棚內的溫度、濕度、光照等進行監測自動化控制。由于ZigBee強大的組網能力，實現了大面積的區域監控，極大地降低了智能溫室大棚的建設成本和運行成本。監控系統與建立的基于作物生長周期的墑情專家系統有機集成，能實現作物生長的精細和動態監控，達到“智慧”狀態，提高資源利用率和生產力水平。

以山東樂陵蔬菜種植基地為例，引進“智慧農業”后，實現了農業生產模式轉型，噴灌、施肥、施藥等都可通過智能遙控的方式實現，并可根據不同作物的不同需肥量設定好每次的施肥量，由系統自動調節水肥比例，輸送到作物的根莖部，不但精準度高，而且大大節約了水肥資源，提高了作物產量。完成農業生產模式的轉型升級后，該基地全年節水60%～80%、節肥35%～55%、節地5%～8%，且方便了農業相關部門對農產品安全的監管，工作人員只需上網查看，就可調出經營單位的實時畫面，實現了24 h監管。

[1] 楊永超，曾剛，黃勇，等.基于ZigBee無線傳感網絡的窨井安全監測系統[J].安全與環境工程,2015,22(5):96-101.

[2] 羅秋晨.基于CC2530的無線傳感器網絡節點設計[J].機電一體化,2012,18(11):57-59.

[3] 劉鵬宇.基于室內光能和振動能的復合式能量采集微電源系統研究[D].重慶:重慶大學,2013.

[4] 李寧.基于ZigBee的低功耗數據采集系統的設計與實現[D].北京:華北電力大學,2015.

[5] 胡培金，江挺，趙燕東.基于ZigBee無線網絡的土壤墑情監控系統[J].農業工程學報,2011,27(4):230-234.

[6] 高偉民.基于ZigBee無線傳感器的農業灌溉監控系統應用設計[D].大連：大連理工大學,2015.