基于zigbee的即時土壤監測系統

閆宇　丁一　楊蓉芳　孫文匯

摘要：隨著物聯網技術的發展，基于zigbee技術的應用越來越廣泛。解決耕地單位面積產量，增加農作物產量刻不容緩。本設計以CC2530和WiFi esp8266模塊問核心，通過串口連接構建s-個zigbee終端節點的1 6位短地址和RSSI值發送給協調器，協調器通過串口將接收數據發送給WiFi模塊，通過WIFI信號發送給wifi路由器接入核心網絡，將所有數據傳送至云端服務器，通過服務器整理后再將數據可觀地發送至移動端顯示。該系統基本實現了通過移動設備通過無線網絡對網關進行訪問，實時接收查看zigbee網絡發送的數據，為更為詳細的田間管理檢測提供了保證。

關鍵詞：zigbee 即時 智慧農業

引言

目前中國已成為世界農作物生產第一大國和農作物進口第一大國提高單位面積的產量是提高中國農業生產國際競爭力的關鍵之一。中國作為世界第一人口大國，耕地面積居世界第四，而人均耕地面積排在126位以后。所以如何用少量的耕地養活大量的人口的問題已經越來越明顯。僅依靠大量的進口糧食不是解決問題的長久之計。隨著現代化的進展，工業4.O的藍圖已經遍布我們生活的點點滴滴，新興的通信技術不斷拉近人們的距離。唯獨農業種植還停留在“面朝黃土背朝天”的時代，唯一能與現代通信掛鉤的也只有天氣預報了。但隨著市場的干變萬化，物聯網技術的滲透，生產規模的擴大，對農業生產過程的監測，調控技術的需求日益增加。

1核心技術簡介

Zigbee作為一種較為新興的近距離傳輸技術，用于傳感控制應用（Sensor and Control）。由IEEE 802.15工作組中提出，并由其TG4工作組制定規范。該技術的節點能耗低，傳輸距離遠，組網規模大，建設難度低，網絡容量大，且無需人工干預，維護費用低。該技術可以很好的應用于大面積田間管理，溫室中作物生長監測，減少人為因素的影響，降低人工成本。由終端采集的所有數據經協調器接入核心網上傳至云端服務器，再由服務器對數據進行匯總后下發至用戶移動端，農戶足不出戶即可了解田間情況，所見即所得。

2系統工作原理及體系架構

位于田間的終端攜帶有各種傳感器，由電池供電以完成各項數據的采集所有采集以成數據報的形式經zigbee組網發送至協調器處，協調器負責無線傳輸于有線傳輸的各協議轉換將數據通過wifi芯片上傳至核心網，通過核心網連接到服務器，由服務器完成各項數據的整理匯總儲存，將更直觀的數據組下發至用戶移動端。

2.1系統硬件設計

實現流程是由終端節點上的通過串口連接的傳感器采集數據，通過zigbee的自組網將采集的信息發送到協調器。本實驗使用IOCC2530開發板，作為協器的開發板直接與WiFi模塊通過串口相連接傳輸信息，最后將信息通過wifi模塊將信息發送到服務器。

2.2 Zigbee結構分析

zigbee網絡拓撲分為三種：星型，樹型和網狀樸拓。本項目是使用星型樸拓，在星型樸拓中含有一個協調器和眾多終端節點。ZigBee協調器是網絡各節點信息的匯聚點，是網絡的核心節點，負責組建、維護和管理網絡。Zigloee網絡的建立是由網絡協調器發起的，任何一個zigbee節點要組建一個網絡必須要滿足以下兩點要求：

（1）節點是FFD節點（Full Function Device全功能節點），具備zigbee協調器的能力。

（2）節點還沒有與其他網絡連接，當節點已經與其他網絡連接時，此節點只能作為該網絡的子節點，因為一個zigloee網絡中有且只有一個網絡協調器。

Zigbee能夠成功組網有一個東西是不可或缺的，那就是Zigbee無線傳感網絡協議棧.ZigBee協議棧可以分為四層：物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網絡層（NWK）及應用層（APL）。協議棧看似復雜，ZigBee協議棧的物理層及MAC層都是IEEE802.5.14標準中定義的。ZigBee協議棧在802.15.4協議基礎上定義了網絡層。網絡層的主要作用是是保障設備之間的組網和網絡節點間的數據傳輸。

3服務器及系統軟件設計

運用node.js來編寫一個小型的服務器用來接受ZigBee通過WIFI發過來的數據，其傳輸是基于UDP協議的。通過http協議向app端發送數據和信息。之所以選擇node.js的原因是因為node.js是一個輕量級的服務器編寫框架，他主要運用JavaScript語言來編寫，簡單方便，易上手，人機界面友好。

3.1 App端設計

采用C ordova框架來編寫Cordova提供了一組設備相關的API，通過這組API，移動應用能夠以JavaScript訪問原生的設備功能，如攝像頭、麥克風等。C ordova還提供了一組統一的JavaScript類庫，以及為這些類庫所用的設備相關的原生后臺代碼。采集得到的數據由MySql來存儲用戶信息。

3.2網關硬件端口設計

將zigloee模塊的RXD接口和wifi的TXD接口;zigloee模塊的TXD接口和wifi模塊的RXD接口相連，將程序通過燒錄器分別下載到zigbee模塊的終端節點和協調器中，配置好wifi模塊和路由器，使用個人筆記本電腦加入已配置好的路由器設備網絡，然后通過移動電源對系統上電，等待指示燈亮起即可。

4數據分析

整個測試在校圖書館5樓實驗室實地測試。實驗條件及軟件設定如下：圖書館5樓實驗室規模為30mx 40m，室內無大型障礙物，整體較為空曠為驗證終端距離與丟包率的關系，采用4個節點在5m。lOm，20rn，30m經行數據半雙工傳輸。CC2530芯片的發送功率為2dB，單次測試數據報字節為512個，數據報發送間隔為5s/次，終端為4個，傳感器兩種。經測試終端抓包程序，協調器抓包程序都能抓取到數據報，且能還原出傳感器采集到的數據。故丟包率在可接收范圍內。

5結論

本文設計了一種基于zigbee的監控系統，可對土壤中氧氣和水分的濃度做出記錄，給植物提供一個身份證。實現從育種期開始的全方位數據監測與記錄，將物聯網技術帶人信息相對較為封閉的田間。室內節點通信實驗說明在沒有大型障礙物的前提下距離在30m以內，丟包率滿足工程設計需求，可正常工作，節點最大可承載20跳的組網。由于移動端程序優化了儲存方式，所有數據在云端記錄，故需在網絡條件較好的地方訪問服務器數據。

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