基于ZigBee的东北森林病虫害监测技术研究

郑文超

摘要 针对我国东北地区森林是病虫害重灾区的现状，提出一种基于ZigBee的森林病虫害监测研究方案，采用CC2430单片机作为核心芯片，利用LabVIEW软件建立一个直观的监测程序，最终实现一个低复杂度、低成本、低功耗的监测系统。通过对温度、湿度、光照等环境参数的采集、分析和处理，达到森林病虫害监测和防治的目的。

关键词 ZigBee；森林病虫害；监测系统；低功耗

中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）13-04108-02

Abstract According to the the status of heavy disaster area of plant diseases and insect pests in Northeast China， a research scheme of forest insect pest monitoring based on ZigBee was proposed. Using CC2430 wireless microcontroller as the core chip， LabVIEW software was used to establish a visual monitoring program， the ultimate realization of a low complexity， low cost， low power monitoring system. By collecting， analyzing and processing the temperature， humidity， light and other environmental parameters， so as to achieve forest pest and disease monitoring and control purposes.

Key words ZigBee； Forest pests； Monitoring system； Low power consumption

我国东北地区属于亚寒带气候，主要植被为落叶松林及针叶林，生物种类繁多，生物和环境、生物和生物之间的关系错综复杂，特别是大兴安岭地区，森林覆盖率达到62%，病虫害防控一直是森林保护工作的重中之重[1]。基于ZigBee的森林病虫害防控监测系统，根据监测的物理参数，可以对寄主植物病虫害的季节、数量变化与分布范围进行分析，从而达到早期防治的目的，不仅可提高环境参数获取的及时性和有效性，而且给病虫害预测预报工作将带来巨大方便。

1 ZigBee技术

1.1 ZigBee结构及其特点

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个人局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术[2]。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（Bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（Zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

1.2 ZigBee无线传感网络

由于东北落叶松林等森林区域需要覆盖的防控监测区域很大，因此需要由大量的ZigBee设备构成监控网络，通过各类微型传感器采集诸如空气湿度、元素含量、光照强度、降水量、温度和气压等信息，以帮助工作人员及时发现问题，同时借助物理定位功能，准确地确定发生问题的位置[3]。病虫害防控监测任务将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的模式转向以信息和软件为中心的监测模式，达到大量使用各种自动化、智能化、远程控制的高科技设备的目的。

2 基于ZigBee的松毛虫监测系统设计研究

2.1 系统原理

监测系统主要由数据处理中心、通信传输工具和无线传感器网络3部分构成，如图1所示。数据处理中心由计算机、监测程序及林区环境参数数据库组成[4]。通过运行在计算机上的监视程序，操作人员可以直观、清晰地看到每个网络节点的位置分布和状态信息，利用计算机的快速运行能力对每个监测点数据进行实时处理并及时存入相应的数据库，便于日后进行深入分析。数据处理中心与无线传感器网络之间使用光纤通信，解决了传统信道传输距离短、抗干扰能力差等缺点，同时也解决了电磁干扰以及雷击和电压不稳的问题，大大提高了数据通信的可靠性、安全性和保密性[5]。监视区域内散布着大量的监测节点，通电后它们自动组建无线网络，自动建立动态路由并定时向汇聚节点发送监测数据，汇聚节点再将数据传送给数据处理中心。

2.2 ZigBee无线传感器的组网方案

基于ZigBee的森林病虫害监测系统的技术关键是无线传感器部分的设计。许多高度集成化的传感器结点可以组成大范围的监测网络[6]。在不需要电源和数据线的情况下，在一定距离上布置各类微型传感器节点，它们之间可以实现准确、快速的信息互通，能够使人们在第一时间得到覆盖区域感知对象的各种参数信息，从而为病虫害防控提供强大保证。

ZigBee 无线传感器网络的拓扑结构是簇状网络结构，由多个简单的星形网络组合而成。在里面的星形结构网络中，不论是路由器还是终端设备都只与协调器通信，相互之间并不通讯，这样使得协调器、路由器和网络终端设备功能清晰[7]。图2为簇状网络结构。在 ZigBee 簇状网络中，一个路由器出现故障并不会使这个路由器的子节点无法使用，它的子节点会寻找最近的路由器设备申请重新加入网络，形成了新的网络结构[8]。

基于ZigBee的森林病虫害监测系统的所有网络节点核心芯片是CC2430无线单片机。网络路由器与网络协调器的射频覆盖范围由CC2430的射频发送接收范围决定，直接影响无线传感监测网络覆盖范围的大小。而CC2430具有高灵敏度、超低功率、抗干扰和抗噪声能力强的卓越射频功能[10]。除了多个接口提供了可连接不同的传感器功能外，CC2430还可以外接LED显示设备，提供报警功能。将它作为ZigBee网络节点的微控制芯片，完全可以满足监测系统的功能需求。

2.4 软件设计

以Zig-Bee协议栈（Z-STACK）作为ZigBee技术的核心软件，开发802.15.4/ZigBee技术，按照IEEE802.15.4标准完成系统初始化和一些其他基本调用就能够满足应用程序的设计需求。基于ZigBee的标准协议和便于存储的常驻芯片能够保证整个系统的高效和紧凑。通过硬件的层次发散链式结构而决定的软件系统，应该由网络节点的运行程序和相对应的工控机的运行程序组成。这样使得编程代码不再繁琐。图4为用LabVIEW开发的基于ZigBee的森林病虫害监测系统的软件界面。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。它不仅采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序，还提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。使用LabVIEW开发平台编写的病虫害监测程序，可以更直观地呈现森林监测区域内相关环境参数的变化状况。在数据处理中心用SQLServer 2008建立一个林区环境参数数据库与监测程序相连接，提供各个时段森林监测区域相关参数的记录。

3 结语

将ZigBee技术应用在东北病虫害监测防控系统上，极大地提高了系统的实时性、可靠性，并且系统开发价格较低廉，性价比高，安装维护简单，容易扩展节点。通过无线传感系统，实时采集病虫害信息，把森林环境参数（包括环境的光照强度温度、湿度等）传送给环境管理员，方便专家及时进行诊断并反馈防治措施；同时对松毛虫对森林造成的灾害的症状、防治办法、制定专家、病原名称和地理位置等相关信息按一定标准存入数据库，以实现数据共享，能够及时地获得监测现场的环境状况，提高森林松毛虫等病虫害诊断的准确率和减少植被损害。

参考文献

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