一種基于WSN的果園土壤狀況監測系統設計

薛晶晶，劉 珂，馮 瑤，雷文禮

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

蘋果產業一直是陜北水果種植的主要產業。但是由于陜北地區復雜的山區環境和落后的生產方式致使果園的收入效益并不理想，環境污染問題依然嚴重[1]。怎樣在有限的土地資源和環境效益的基礎上，以先進的手段提高果園的生產效率，已成為陜北果農解決的主要問題。近年來，隨著國內外無線傳感器網絡技術發展的突飛猛進，精準農業已成為研究的熱點。精準農業是指根據農作物生長的自然環境和生長狀況，以最經濟的投入達到同等收入或更高的收入并且兼顧生態環境的發展。

ZigBee作為一種基于IEEE802.15.4無線標準的短距離、低速無線網絡技術，具有工作簡單、低功耗、低復雜度、支持大量網上節點、具有自組網和自恢復能力、雙向傳輸和短距離通信等特點[2]。非常適合用于陜北地區果園的土壤監測系統中，本設計以CC2530為核心芯片，結合ZigBee協議棧(Z-Stack)構建了一種適用于陜北地區的果園土壤監測系統[3]。

1 總體設計

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4無線標準的無線網絡技術，主要用于聯網、應用和安全等方面。適用于數據流量較小，傳輸速率低等要求的工業和農業方面[4]。對于陜北地區的山區丘陵地帶，自然環境較為復雜的果園種植業，采取基于ZigBee技術的無線傳感器網絡是一種相對可行的方法[5]。

ZigBee網絡一般由協調器、路由器和終端節點組成，可支持星狀、樹狀及網狀等拓撲結構[6]。用戶可以根據果園規模靈活選擇拓撲方式，在規模較小的果園中，采用星狀拓撲可以有效的降低網絡耗能，同時也可以保證數據的完整性。而本文主要針對規模較大的果園生態系統，故選取星狀拓撲與網絡拓撲相混合的網絡拓撲方式。主要基于兩方面的考慮：一方面此結構具有星狀網絡易于組網的特點，結構簡單，易于實現。另一方面網狀結構使數據傳輸方式由單跳轉變為多跳，增強了網絡的自我恢復能力，不會因為某一節點的損壞致使數據丟失，提高了數據傳輸的可靠性[7]。系統中，協調器(FFD)主要擔任無線網絡的組建以及給參與網絡的節點分配網絡位置，它可以和任意節點進行通信。路由器節點(FFD)主要負責數據的收發同時還能維持網絡，為后續節點分配地址。終端節點(RFD)負責采集傳感器信息，周期性的發送數據且不能接收數據。終端節點和路由器節點將傳感器采集到的外界物理數據經由ZigBee網絡傳送至協調器，協調器發送AT指令控制GPRS模塊，GPRS模塊接入基站，定時上傳數據到固定IP(云端)，上位機從云庫讀取數據[8]。系統總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

2 硬件設計

2.1 CC2530芯片

考慮到系統工作的環境和實際用途，本方案選取TI公司推出的CC2530芯片作為終端節點、路由節點和協調器的主控芯片。CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4和ZigBee應用的一種片上系統解決方案。它結合了一個高性能的RF收發機及業界標準的增強型低功耗8051CPU、8-KBRAM、多達256KB的閃存和其他的外設功能。CC2530在不同的運行模式下的電流消耗很低，正常工作時的溫度范圍在-40 ℃～125 ℃之間，工作電壓介于2 V～3.6 V之間，休眠狀態時工作電流僅有0.1 uA[9]。所以將CC2530應用于陜北地區果園土壤的檢測系統的主控芯片是較為合適的。

2.2 ZigBee節點硬件總體設計

ZigBee節點的硬件電路大致相同，因為終端節點不擔負數據處理任務，可采用CC2530F64芯片搭載相應的射頻模塊、電源模塊和各種傳感器模塊即可[10]。對土壤進行數據采集時，由于長時間在地下工作，因此在選擇器件時，需考慮到隨著時間推移的穩定性。且地下的環境更為惡劣，最終選用介電式傳感器，土壤中的水分發生改變時土壤介電常數也將發生相應變化，FDS100水分傳感器是一款以介電理論為基礎采用頻域測量技術開發的傳感器，它能夠對土壤中的含水量進行實時的檢測。

路由節點與終端節點的外圍電路基本一致，主要差異根據軟件編程設定。協調器節點電路相對于路由節點電路差異在于增加了GPRS模塊以用于將匯聚節點的數據發送至上位機[11]。本方案選取SIM900B作為GPRS模塊。協調器節點電路基本結構如圖2所示。

圖2 ZigBee節點硬件設計

市場中常見的電池有9 V堿性積層電池、5號堿性電池、18650電池、14500電池等幾類。由于ZigBee節點的正常工作電壓都介于2 V～3.6 V之間，且均使用直流供電。可選擇1節14500可充電鋰電池提供電源。14500體積大小與普通的5號電池一樣，尺寸為15*29*51 mm，可以方便的安裝到節點裝置中。1節14500充滿電后可提供4.3 V左右的電壓，配合5 V，2.5 W太陽能板能達到一節電池為整個系統供電的目的。由于CC2530芯片和傳感器等模塊均需3.3V穩壓電源，綜合考慮，選擇TI公司生產的LM1117-3.3貼片式低壓差穩壓芯片[12]。LM1117為三端穩壓器，整個電路沒有較大負載和大電流，外圍電路簡單焊接方便，只需在輸入端和輸出端各加一個濾波電容即可改善瞬態響應和穩定性。

3 軟件設計

Z-Stack協議棧提供了完整的路由協議，對應用層完全透明，協議棧收到數據后便自動尋徑，將數據轉發到目的地址。所以節點軟件設計的主要任務是在Z-Stack協議棧的基礎上，完成對協調器、路由和終端節點控制軟件設計[13]。

協調器節點擔負ZigBee網絡的初始化以及自動組網，維持網絡數據收發的任務[14]。它將上位機的指令轉發給各個節點，將各個節點發送的采集數據打包，通過GPRS模塊發送至云端。相對于其他兩中節點設備它的數據流量最大，耗能最高，也最為復雜。如圖3所示為協調器的軟件流程。

圖3 協調器軟件設計

系統上電后開始協議棧的初始化，節點主動發送信標命令檢測網絡中是否已存在協調器，若不存在則對信道進行能量檢測，選擇好合適的信道后，分配網絡標識符PANID，等待節點加入并為其分配16位短地址。同時協調器通過AT指令對GPRS模塊進行配置。當協調器收到GPRS模塊傳送的上位機指令后將指令轉發給各個節點并執行相應功能。終端節點指令執行完畢后將數據發送至協調器，協調器節點通過GPRS模塊將數據上傳至云端。

終端節點負責將傳感器采集到的數據發送至路由器節點和協調器節點[15]。在信道設備初始化完成后，節點向協調器節點發送入網申請加入網絡，終端節點接收到數據傳輸指令，進行數據采集并完成發送。軟件流程如圖4所示。

路由器節點只存在于傳遞方式為多跳的拓撲結構中，它主要負責數據信號的中繼，同時增加數據傳輸路徑，提高數據傳輸的穩定性和可靠性[16]。具體軟件流程如圖5所示。

圖4 終端節點軟件設計

4 系統測試

按照本文的方法搭建了一個果園土壤檢測系統，主要針對系統的能量消耗、通信距離、網絡生命的健壯性等進行了測試，在測試中考慮到整個系統體積不適過大，需要將電源模塊、傳感器模塊、ZigBee模塊放在一個較小電路板上，大大地增加設計難度。解決方法為使用雙層轉接的方式滿足要求。在星狀拓撲和網狀拓撲相結合的網絡拓撲結構中，其中某個路由節點掉電離開網絡后，其子節點能自動尋找其他路由節點作為父節點重新加入網絡。數據傳輸測試分為ZigBee間數據的傳輸；數據到云端的傳輸。在數據傳輸中采用串口通信協議實現。但是在進行云端的傳輸時需要注意接受與發送兩個串口傳輸的先后順序，并在每次數據傳輸完成后需要將該寄存器清空，否則會出現亂碼的情況。整個系統中，除協調器節點耗能較多外，其余節點耗能情況較為理想。

5 結語

本文主要研究一種基于ZigBee網絡的無線傳感器果園土壤檢測系統。整個系統以TI公司生產的CC2530為主控芯片，結合與其配套的Z-stack開發平臺，提高了系統的開發效率。載波頻段為全球通用的2.4 GHz，具有低成本、低耗能、數據傳輸可靠、延時性低等特點，能夠長時間工作在條件惡劣的戶外環境中。同時系統創新采用了星狀拓撲與網狀拓撲結構相結合的布網方式，網絡結構較為靈活，提高了整個網絡在惡劣環境下的生存能力，配合太陽能充電板解決了系統壽命跟不上蘋果生長周期的問題。為陜北地區的果園土壤環境監測提供了一種切實有效的方案。