基于ZigBee的智能监测系统的研究

摘 要：现阶段我国农业正处在转型升级、更加智能化的关键时期。大力发展设施农业，对于解放劳动力，增加农作物产量和农民收入具有重要的意义。本系统首先根据农田监测需求，本系统设计了基于ZigBee的无线传感器网络监测系统，终端采用CC2530无线传感器节点，加上测量土壤温湿度的模块测，通过ZigBee协议将信息传送至整个网络的汇聚节点，经过串口与ARM9开发板进行通信，嵌入式控制器运用嵌入式Linux进行监测系统的应用开发，进而实现对农田土壤信息的监测。

关键词：ZigBee；无线传感器；网络嵌入式

1 背景与设计方案

1.1 背景和意义

我国是农业大国，截止2016年全国耕地面积继续持续在20.25亿亩，全年水田、水浇地共增加235万亩，占新增耕地面积的64.7%。同时我国还面临着水资源缺乏的局面，节约水资源同样是重中之重。影响农田作物生长的环境因素主要是土壤的温度和湿度以及二氧化碳的浓度，对这些参数进行监测，及时做出相应的措施对于农作物生长至关重要[1]。可见农田耕种和农田环境监测的重要性。农田监测等设施农业在国外的发达国家已经十分普遍，我国也正将设施农工业的步伐加强加大。所以农田监测是农业智能化的必经之路。

1.2 系统总体设计方案

农田监测主要是为了提供有利于农作物生长的土壤环境，土壤的温度、湿度、PH值等是作物生长良好的保障。在北方以耐干旱的作物为主，南方主要是水稻，而北方的冬天不适合农作物生长，我们可以通过研究作物整个生长周期所需土壤条件，从而密切监测土壤环境。这样不仅可以把握农机，不错过任何一个作物生长的关键时期，就在很大程度上保证了作物的产量，并且节约了劳动力，更节省了各种资源如肥料和水。

2 ZigBee技术

ZigBee技术是目前一种新兴的距离短、功耗小并且节约成本、可靠性高的双向无线通信技术。传输距离10-100m，组网方式灵活、扩展性强，通信非常可靠，主要应用于农业及工业监控、智能家居、传感器网络等领域[2]。

ZigBee传感器节点有三种功能，这三种功能是协调器、路由功能和终端节点。每个ZigBee网络中只允许有一个ZigBee协调器，负责对网络进行配置并启动所网络[3]；路由器负责信息的转发，通过它可以延展网络；终端设备可连接各种温湿度、烟雾、酸碱度等传感器模块，通过网络和监测设备进行通信。ZigBee网络拓扑结构可以是星型的、树型的或者网状型等多种拓扑结构。

3 系统硬件设计

本系统是基于ZigBee的农田智能监测系统，主要监测土壤的温湿度，所以本系统包含ZigBee的温湿度监测路由协调器节点、终端节点和传感器模块组成。本系统中只设计了终端节点和协调器节点，无路由器节点，所以终端节点还需将数据转发到其他节点。

3.1 协调器硬件设计

协调器节點采用CC2530芯片，CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU[4]，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能。CC2530休眠模式可以通过定时器实现传感器节点的休眠/唤醒调度，使其低功耗运行，节约能耗。

3.2 终端节点设计

终端节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通讯模块和电源模块组成。CC2530芯片内部集成了微处理器和无线通信模块，传感器模块采用SHT10[5]。该传感器采用了CMOSens的专利技术，将温湿度传感器、A/D转换器无缝结合，使传感器具有体积小、响应速度快、接口简单等特点。

4 系统软件设计

软件的实验包括协调器和终端两个部分。其中协调器节点是整个ZigBee网络的控制中心，负责网络的组件和信息路由、链路协议的管理。终端节点主要负责收集信息、并进行处理、发送等。它还兼有路由的功能，将采集的数据转发出去。同时为了节约节点能耗，当终端节点处于不收发数据状态时，一般处于休眠状态。

首先进行网络的初始化，之后传感器节点会以自组织的方式构成网络，节点对网络进行监听和等待，如果收到网络请求就为子节点分配地址，如果没收到就继续监听。节点分配地址后，接受数据并发动到相应的PC机。其流程图如图1所示。

5 结束语

本系统采用CC2530模块和ZigBee协议实现的一种新型无线传感器监测系统，实现了农田土壤的温度、湿度，设计能满足基本的农田监测需要。能够为农田工作者提供清晰的土壤状态信息，同时可以结合土壤的状况和作物生长周期的需要采取相应的措施。在实际应用中，可以根据需要扩展二氧化碳浓度、土壤PH值能其他传感器，为精细化农业提出一种有效方案。

参考文献

[1]张成良.基于ZigBee的远程田间监控系统设计与研究[D].山东农业大学，2016.

[2]张慧颖.基于ZigBee和3G技术的农田环境监测系统设计[J].江苏农业科学，2015（10）：487-490.

[3]涂继辉，杨彬.基于Zigbee的农田环境监测的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2014（06）：71-72.

[4]孙玉文.基于无线传感器网络的农田环境监测系统研究与实现[D].

南京农业大学，2013.

[5]代媛.基于ZigBee无线传感器网络的农田信息监测研究[D].西北农林科技大学，2010.

作者简介：张玉鑫（1989，6-），女，河北保定，硕士，研究方向：无线传感器网络。