基于ZigBee技术的果园无线传感节点设计

刘潘　丁瑞

摘要 针对当前大型果园智能无线传感设计中人为设定无线网中终端节点和路由节点的功能在节点数量多的网络中使用和维护很不方便这一技术问题，设计、研究1款基于ZigBee技术的无线传感节点。该方案以TI公司的CC2538为主控芯片来分别设计网络节点的硬件电路和软件流程。测试结果表明，该节点能自动检测并设定节点功能，具有较好的稳定性和较高的通信效率，可以满足果园农业信息传输和组网的要求。

关键词 ZigBee；物联网；节點；软件；组网

中图分类号 S126；TP393 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）20-356-03

Abstract In the design of intelligent wireless communication of the large orchard， the functions of the terminal node and routing nodes are manmade set in a network， it is quite inconvenient when there are lot of nodes in the network. The controller chip in this design is CC2538 manufactured by TI， and the hardware circuit and software based on this chip are designed respectively. The results of test indicate that the nodes can set the node function automatic， have good stability and high communication efficiency. Therefore， the design can satisfy the need of information transmission and the networking of the orchard.

Key words ZigBee； Internet of Things； Node； Software； Network

随着无线通信网络的出现，传统的有线信息传输方式逐渐被无线通信方式所取代。目前，在智慧农业中，无线通信网络已经被广泛应用于温室大棚、农田、果园等领域[1-3]。无线通信方式通过设计协调器节点、路由节点和终端节点3种节点对信息进行控制，再通过无线网络进行信息传输，极大地方便了农业的发展。

当前用于农业无线传输节点的设计一般采用MSP430、CC2530等单片机来设计终端节点、路由节点以及使用ARM或者ARM核的STM32芯片等来设计协调器节点[4-7]。在组网时需人为设定节点为哪种节点，路由节点功能单一，只能负责信息的路由传输，一旦路由节点损坏，将会导致大量终端节点无法正常传输数据。在环境较复杂的果园中使用路由节点需额外配置终端节点来采集信息，安装不便且成本较高。

因此，笔者提出1款基于ZigBee技术的果园无线节点设计，首先对ZigBee技术协议栈和拓扑结构进行简单介绍，根据果园的环境选择网状拓扑结构，然后对设计整体系统进行分析说明，设计节点的硬件和软件，最后经过试验验证该节点的性能。

1 ZigBee技术简介

ZigBee协议栈是基于基准的OSI 7层开放式系统互联模型，并对涉及ZigBee的层进行定义。ZigBee网络支持3种拓扑形式[8]：星型网络拓扑（star）、树型网络拓扑（tree）和网型网络拓扑 （mesh） ，如图1所示。

ZigBee的通信网络由3种类型的节点组成：协调器节点（ZC）、路由器节点（ZR）和终端设备节点（ZD）。在果园环境中，网状拓扑结构是较为合适的结构。网状拓扑结构比树形结构更加灵活、有效，其路由节点之间可以直接通讯，使得信息通讯更加有效率，一旦1个路由节点出现问题，信息可以经由其他路由器节点对外传输。笔者基于网状结构设计节点，节点包含路由功能与终端功能，既可以做路由节点，也可以做终端节点。

2 物联网节点的硬件设计

图2为物联网节点的硬件架构，主要包括微控制器模块、供电模块、传感器模块。

2.1 微控制器模块

微控制器模块是用CC2538芯片设计，该芯片是TI公司最新推出的，其支持ZigBee无线通信，以ARM CortexM3为核心。

CC2538芯片自带具备高达512 kb的可扩展闪存存储器和32 kb的片载 RAM，能够处理复杂的网络堆栈，满足果园中信息采集、信息传输及信息存储的需求，能支持上百个节点的网状网络。电源电压宽泛，为2.0～3.6 V，在睡眠模式下，该芯片的工作电流最高仅为1.3 μA，功耗极低，能够满足ZigBee组网后的工作需求。32个通用输入输出口的设计足够满足外部传感部件的接入，可扩展性强。

针对果园的露天环境，射频设计采用了TI公司提供的2.4 GHz 的片上天线，采用倒F天线设计，实现节点发送采集的信息和路由传输其他节点信息的功能。其介电常数为4.25，特征阻抗为50 Ω，厚度为0.6 mm，该设计数据传输状况良好。与Chip天线、Whip天线设计相比，PCB天线成本低、体积小，方便节点的安装使用。

2.2 传感器模块 SHT20可以兼备温度和湿度的信息与采集，功耗1.5 μW，相对湿度范围 0～100%，温度范围 -40～125 ℃。与处理器的通信电路如图 3 所示。使用1个 10 kΩ的上拉电阻来将信号提拉至高电平。该设计中CC2538的引脚PB0连接SCK， PB1连接DATA。

光敏电阻的电阻值可以随外界光照强弱变化而变化，无光时为高阻值，当有光时阻值迅速变小。图4为光敏电阻与CC2538芯片的连接，有光时，阻值变小，输出电压也变小，使得PB3处于低电平。

2.3 供电模块

在果园中全部节点集中使用有线供电较困难，针对这一问题，该供电模块采用了纽扣电池和直流电源接口2种供电方式。电压有纽扣电池和直流充电2种方式，转换电路使用LM1117芯片设计，电源提供的5 V电压经过电压转换电路转换成3.3 V。

3 节点的软件设计

软件设计分为3个部分：入网自检软件设计、终端节点软件设计和路由节点软件设计。

3.1 入网自检软件设计

图5为节点的入网过程。程序开始运行后先要对节点进行初始化。随后，网络监测模块自动监测信号范围内是否有网络信号，若未检测到则重新监测，若监测到网络信号则自动加入ZigBee 网络。入网成功后，分配网络地址模块为节点申请1个独一无二的网络地址。

3.2 终端节点软件设计

终端节点的软件流程如图6所示。节点入网成功之后节点功能判断模块根据信息首先判断节点为终端节点，进入低功耗模式。当内部产生定时中断时信息接收模块判断是否接收到信号，如果检测不到协调器节点的命令信息，节点进入休眠模式；如果检测到协调器节点的命令信息信息采集模块执行信息采集功能，信息发送模块将数据打包并发送出去。之后，终端节点继续进入休眠。终端节点是通过轮询的方式等待中断，检测信息并执行任务，执行完任务后节点进入休眠状态。

3.3 路由节点软件设计 路由节点的软件流程如图7所示。

路由节点同时具备采集信息和路由传输的功能。节点入网成功后，节点功能检测模块判定节点为路由节点，节点始终处于工作状态。没有检测到中断，节点执行信息路由功能，信息路由接收模块负责信息的接收。存储模块会对信息进行检测和存储，如果之前发送过此信息则不再发送，如果没有发送过则存储该信息，之后，信息发送模块发送该信息。信息发送成功后，回到信息路由接收状态。检测到中断，则执行终端节点信息采集和发送的功能。

4 系统测试

在硬件设计和软件设计的基础上进行数据传输试验，对节点进行点对点测试和组网测试，并得出试验数据。

4.1 功能自判定测试

在mesh拓扑结构中节点入网后会自动选择距离最近的节点作为父节点。功能节点模块会根据是否检测到下游节点信息来判断节点功能。考虑到有节点损坏时会影响组网，所以终端节点每次上电都会执行该过程。试验结构如图8所示。

试验中，节点间距40 m，在果园中无遮挡测试，路由节点和1号节点放在同一位置。首先是用1号终端节点与协调器节点组网通信，成功后1号终端節点关闭电源；然后对协调器节点、路由节点和2号终端节点组网通信，如图9所示；关闭路由节点，开启1号终端节点，发现串口助手依旧能接收到2号终端节点的消息，如图10所示，再关闭1号终端节点后，无法接收到2号终端节点消息。由此证明节点可以自动设定功能。

4.2 组网测试

协调器节点组建无线网络，各个节点加入网络。上位机通过串口发送信息到协调器节点，协调器节点通过ZigBee无线网将信息经路由节点发送到终端节点，各终端节点接收到协调器节点信息后，将监测信息通过多级的中间路由节点传递给协调器节点，再由协调器节点将信息通过串口模块传输给上位机。图11是在不同跳数和不同传输时间间隔的数据丢包率情况。

当跳数相同时，丢包率随着发送时间间隔的增加而变小；当发送时间间隔相同时，随着跳数的增加，丢包率变大。信号在发送时间间隔很短时，会产生相互之间的干扰，影响传输准确率；而随着跳数的增加，信号在多个节点之间传输时，只要任何1个节点丢失数据，都会导致网络整体的丢包率上升。当发送时间间隔达到20 s以上，在系统具备重发机制条件下，该系统可以满足用户要求。

5 结语

针对果园环境的无线传感网络设计的这款基于ZigBee技术的节点能自动设置为路由节点或终端节点；当路由节点损坏时，终端节点信息可以通过其他路由节点进行信息传输。通过对节点功能自判断和组网测试，结果表明该节点设计能满足果园地区的信息采集要求，其具有一定的使用价值。

参考文献

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