适用于山区农业的ZigBee无线监测系统设计

陈斌 李世红 徐娜

摘要：为有效解决偏远山区无人值守的农业基地环境参数的实时采集监测难题，提高农产品的产量和质量，增加农民收益，设计了一种适用于山区农业的基于ZigBee无线传感器网络的精细农业无线监测系统。结果表明，该系统采用多级树簇型网络结构、CC2530芯片核心的无线数字通信模块，用户可以通过智能手机端或者PC电脑对系统进行登录访问，实现对远程农业基地进行无线监测。

关键词：ZigBee;无线监测系统;精细农业;无线传感器网络

中图分类号：TP393        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2015）02-0457-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.052

Designing Wireless Monitoring System of Mountain Agriculture Based on ZigBee

CHEN Bin1，2，LI Shi-hong1，2，XU Na1，2

（1. Wenzhou Vocational College of Science and Technology， Wenzhou 325006， Zhejiang， China;

2. Wenzhou Academy of Agricultural Sciences， Wenzhou 325006， Zhejiang， China）

Abstract： In order to effectively solve the problem of real-time monitoring remote and large agricultural base in mountainous areas， improve the quality of agricultural production and increase income of farmers， the wireless monitoring system of precision agriculture based on ZigBee wireless sensor network was designed. The results showed that the system used a multi-stage cluster tree network structure， wireless digital communications module based on CC2530 chip core. The users can use smart phone or PC to access the system and monitor the remote agriculture bases in mountain.

Key words： ZigBee; wireless monitoring system; precision agriculture; wireless sensor networks

我国大部分的农业基地是在山区，而精细农业需要对农业基地的温度、湿度、光照度等参数进行实时监测。对于边远山区的农业基地来说，按传统的人工监测手段来实施的话，难度非常大。因此，本研究设计了一种精细农业无线监测系统，该系统基于ZigBee技术[1]构建的无线传感器网络为基础，采集山区农业基地的温度、湿度、光照度等参数，结合研发的应用管理软件对农业基地进行远程监测，该系统具备长期工作、智能运转、无人值守等优点。

1  系统总体结构

本系统的整体架构如图1所示。ZigBee网络中的节点设备可分为协调器（Coordinator）、路由器（Router）、终端节点（EndDevice）等3种。在每个农业基地监测现场构建一个多级树簇型网络结构的ZigBee无线传感器网络，布置一个协调器节点、多个路由器节点、众多的采集终端节点。每个路由器节点以及子节点自形成一个簇，如果子节点是路由器的话，该子节点再形成一个簇，如此拓展，形成多级树簇型网络。采集终端节点上配置了温度、湿度、光照度等多种传感器，实现对温度、湿度、光照度等多种参数的实时监测。同时配备了太阳能模块给节点持续供电，以便节点可以持续进行工作。嵌入式网关负责无线传感器网络和服务器之间的数据交互，把采集到的数据根据指令发送给云端服务器。在应用程序层面研发了基于3层架构的web应用管理系统，以供用户使用PC端和智能手机端通过因特网来登录系统，获取指定农业基地的实时监测信息，从而达到用户在任何时间任何地点可以对指定的农业基地进行实时监测的目的。

2  系统硬件设计

2.1  芯片选型

传感器节点的芯片采用TI公司的CC2530芯片。该芯片是兼容IEEE802.15.4的片上系统，支持专有的ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准。101dB的链路具有良好的抗干扰性以及高灵敏度。此外还拥有多种供电模式以及一套广泛的外设集，包括2个USAR、12位ADC和21个通用GPIO，具有良好的RF性能，配置了标准增强的8051MCU内核，还支持低功耗无线通信。CC2530可以应用到智能家电控制、远程控制、消费型电子、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗等领域。根据芯片内置内存的不同容量，CC2530拥有3种不同的版本。相比第一代CC2430，CC2530提供了具备强大的地址识别和数据包处理引擎，能够很好的匹配RF前端，而且封装更小以及支持ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE。内部分为3类模块：CPU和相关存储器模块、时钟和电源管理模块、无线模块。

2.2  无线传感网节点硬件设计

本系统中终端节点和路由器节点是采用相同的硬件结构，只是在启用的时候分配的角色不一样，节点根据自己的角色运行相应的功能程序。无线传感网节点由无线通信模块、传感模块、电源板模块等部分构成，如图2所示。

1）无线通信模块。温室大棚中传感节点间的通信距离一般在十几米之内就可以满足系统需要[2]，而在野外山区环境里显然需要更远的有效通信范围来满足实际需要。为了适应山区环境，增加传感器网络的覆盖范围，以及从性能、尺寸、成本等多方面考虑，选择功率相对较大的倒F天线。

2）传感模块。系列传感模块包括温度传感模块、湿度传感模块、光照度传感模块等[3]。不同的农业基地，由于农产品不同，需要监测不一样的环境参数，可以通过总线扩展用户自己的传感器部件，加入各种各样的传感器[4]。其中温度、湿度传感器模块采用的是SHT11。SHT11系列为贴片型温度、湿度传感器，具备全量程标定，两线数字输出;湿度测量范围：0～100% RH;温度测量范围：-40～123.8 ℃;湿度测量精度：±3%RH;温度测量精度：±0.4 ℃;响应时间：8 s（tau63%）;低功耗80 μW（12位测量，1次/s）;可完全浸没。

3）电源板。即实现节点模块与传感模块的连接，又实现系统供电，可以由两节电池供电。保留外接电源接口，可以直接由直流电源供电，也可以接上太阳能供电模块。太阳能供电可以解决野外长时间无人值守的问题，而且还节能环保。本系统是针对山区环境的，不像温室大棚里的ZigBee系统[5]可以直接由棚内直流电源供电。因此，本系统的节点所配备的太阳能电池板都相对较大，尤其是协调器和路由器节点担负的任务较多，太阳能电池板也配备得更大。

3  系统软件设计

3.1  传感节点协议栈设计

本系统中的传感节点协议栈Z-Stack，是基于轮转查询式操作系统的协议栈。协议栈总体上来说，它一共做了两件工作，一个是系统初始化工作，即由启动代码来初始化硬件系统和软件系统需要的各个模块;另外一个就是开始执行操作系统。

1）系统初始化。系统启动代码需要完成初始化硬件平台和软件架构所需要的各个模块，为操作系统的运行做好准备工作，包括初始化系统时钟，检测芯片工作电压是否正常，初始化内存堆栈，初始化各个硬件模块，初始化FLASH存储、芯片MAC地址，初始化非易失变量，初始化MAC层协议，初始化应用帧层协议，初始化操作系统等。

2）操作系统的执行。启动代码为操作系统的执行做好准备工作以后，就开始执行操作系统入口程序，并将控制权完全交给操作系统，自己则光荣地退出舞台。

3.2  协调器节点软件设计

根据系统设计方案，协调器不仅要负责建立无线传感网，还要维护网络以及其他任务：传输网络信标、管理网络节点并存储网络节点信息数据，提供关联节点之间的路由信息表;存储一些重要的传感网基本数据信息，如节点数据设备、数据转发表、设备关联表等[6]。

协调器节点因为任务繁重，所以相对其他节点，它具备更强大的硬件资源和稳定可靠的供电，采用直流电供电和太阳能供电双通道。协调器开始建立网络后，先为本网络选择一个网络标识符，并将自己的网络地址（短地址）设置为0，然后开始向邻近的节点设备发送信标，接受其他节点的连接，形成树型拓扑结构的第一级，协调器与这些设备之间形成父子关系。连接到网络里的节点设备都分配了一个16位的网络地址。协调器节点的软件设计流程如图3所示。

3.3  终端节点软件设计

根据系统设计方案，终端节点作为数据的采集节点，系统启动后接入网络，协调器会为它分配一个惟一的16位网络地址。然后通过节点上配置的温度、湿度传感器、光照度传感器、CO2传感器将采集到的数据发送到自己所属的路由节点（父节点），路由节点转发给协调器节点，然后再通过协调器节点将数据传送到网络上的数据服务器。

在野外，传感网节点的供电是个难题，即使采用太阳能供电也要考虑能量的消耗问题，因为如果天气连续几天没有太阳的话，节点很容易因为没有能量而关闭。所以采用唤醒-休眠的方式，需要终端节点采集环境数据时唤醒节点，采集完成上传数据后节点进入休眠状态，等待下一次唤醒，以此来尽量提高电能的使用效果，延长工作时间。终端节点的软件设计流程如图4所示。

每个终端节点发送的数据包可以用一个结构体来表示，包含该节点的设备类型、网络地址、父节点地址、采集的数据等。

3.4  路由节点程序执行流程

ZigBee路由器节点的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由。路由器节点启动后，以路由节点的身份与协调器建立连接，加入网络，协调器会为它分配一个地址块（包含有若干16位网络地址）。路由器根据它接收到的协调器信标的信息，配置并发送它自己的信标，允许其他的设备与自己建立连接，成为子节点。这些子节点可能是终端节点，也可能是路由器，如果是路由器节点的话，那它们也可以有自己的子节点，按这个方式拓展下去就形成了多级树簇型结构的网络[7]。路由节点的软件设计流程如图5所示。

3.5  上层应用管理软件设计

上层应用管理软件采用三层B/S模式，方便维护和更新，应用管理软件提供了显示环境参数实时曲线图、节点资源列表、统计报表等多种功能，满足用户需求[8]。用户可以在任何时间任何地点使用智能手机或者PC电脑，登录系统，实时对农业基地进行远程监测[9]。系统对于监测到的异常情况，会以短信、电话等方式向用户实时报警。上层应用管理软件运行界面如图6所示。

4  小结

本研究设计了适用于山区农业基地的精细农业无线监测系统，在网络设计上采用多级树簇型结构，传感节点的能量来源上采用太阳能充电技术等方式，有效地解决了偏远山区无人值守的农业基地环境参数的实时采集监测难题。用户可以在任何时间任何地点使用智能手机或者PC电脑等方式来登录系统，实时对农业基地实现远程的监测。系统对于监测到的异常情况，比如气温过低、湿度过高等问题，会自动以短信、电话方式向用户实时报警。

参考文献：

[1] FARAHANI S. ZigBee Wireless Networks and Transceivers[M].USA：Newnes，2008.

[2] 王银玲，孙  涛.温室环境监测中无线传感器网络节点设计[J].农机化研究，2011，33（3）：113-117.

[3] 汪银芳，马世伟.一种基于ZigBee的无线抄表系统研究与设计[J].测控技术，2013，32（1）：14-18.

[4] 王文成，常发亮.温室大棚温湿度无线测控系统[J].仪表技术与传感器，2011（3）：98-103.

[5] 袁志强.基于ZigBee技术的温室大棚无线监控系统设计[J].江苏农业科学，2012，40（11）：396-397.

[6] 郑宝周，李富强，吴莉莉，等.基于ZigBee和GPRS技术的仓储环境监测系统设计[J].江西农业学报，2013，25（3）：107-110.

[7] 龚一朋，李子明，王泽林，等.基于ZigBee技术的多点应变监测系统设计[J].交通信息化，2013，（23）：157-159.

[8] 陈智伟，苏维均，于重重，等.基于WSNs的农业温室监控系统的设计[J].传感器与微系统，2011，30（7）：82-87.

[9] 张小斌，郑可锋，张建成，等.无线传感网在浙江设施农业大棚中的应用探讨[J].浙江农业学报，2011（3）：25-27.