基于ZigBee的无线传感器网络在土壤墒情监测中的应用研究

郑向歌+任平英

摘 要：土壤墒情自动监测是提高水資源利用率和农业质量的重要技术。基于ZigBee无线传感器网络的土壤墒情监测系统利用ZigBee技术进行传感器数据的汇聚与上传，采用TCP/IP协议有线接入因特网，可实现远程监测。经实验验证，系统有效地降低了布线难度，抗干扰能力强，可节约成本，提高了土壤墒情监测数据的准确性、时效性和稳定性。

关键词：ZigBee；无线传感器；土壤墒情；漫灌

中图分类号：TP274 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.008

中国是一个农业大国，农业年用水量巨大，尤其是用传统漫灌的方式，加剧了用水供需矛盾。高水资源利用率的节水灌溉就成为了解决缺水现状的有力措施，土壤墒情信息是其重要的参考依据。土壤墒情的自动监测是提高水资源利用率和农业质量的支撑技术之一。

目前，国内外对土壤墒情监测的研究取得了不少的成果。总体而言，国内外高精度的检测设备价格昂贵，不适合大部分农村，尤其是较贫穷地区使用；价格低的设备一般都存在精度低、性能差等问题。我国目前的墒情自动监测系统大都基于有线传输的方式，这大大增加了布线、安装、防雷防鼠、线路维修等工作的难度。无线传感器网络是解决这些困难的有效工具。无线传感器网络因其部署简单、成本低、无需现场维护等特点，成为了土壤墒情监测系统的研究热点。

本文基于ZigBee无线传感器网络的土壤墒情监测系统，利用短程无线传输技术ZigBee进行了传感器数据的汇聚，采用基于TCP/IP协议的因特网接入技术，方便远程监测，可以适应土壤墒情监测的安全要求高、空间跨度大、野外作业多等特点，有效地减小了布线的困难程度，抗干扰能力强，可节约成本，在很大程度上可提高土壤墒情监测数据的准确性、时效性和稳定性。

1 ZigBee无线传感器网络

无线传感器网络（WSN）是指在监测区域内部署大量的微型传感器节点，以无线通信的方式形成网络，将网络覆盖区域中的监测对象信息系统采集、处理并发送给监测者。WSN中的

传感器采集的信息均采用无线方通信式传输，传感器安装位置灵活，基本不受地理条件的约束；WSN具有良好的自组织能力，能够很快识别并适应网络环境的变化，还可以通过相对的固定接入点，基于TCP/IP协议有线接入互联网，这样既节省了成本，又可高速率地实现远程访问；WSN无需现场值守，大大节约了劳动力成本，提高了劳动安全性。因此，将WSN技术应用于土壤墒情监测系统中具有广泛的研究与应用前景。

ZigBee，又称为紫蜂协议，它来源于蜜蜂传递花粉方位信息时会通过飞翔和抖动翅膀构成群体通信网络的仿生技术，是基于IEEE 802.15.4标准局域网协议的无线组网通讯技术，具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全、免执照频段的特性。ZigBee技术自面世以来，在工业、商业、民生等各个方面有着广泛的应用。比如工商领域监控器、传感器、智能标签等信息的自动采集和控制，智能楼宇的保安系统、门禁系统、家用电器等的自动控制，医疗中的病人监护、远程诊断，农业中的天气、土壤墒情、温度等气候信息的采集，电脑外设的无线设备、无线遥控等。

2 实施方案

2.1 系统组成

ZigBee无线传感器网络中存在协调器节点、路由器节点和终端传感器节点3种设备。协调器节点有且只有一个，负责信道和网络ID的选择，节点入、离网的协调等网络的组建和控制，收集传感器节点发来的监测数据。路由节点是传感器节点与协调器节点之间的桥梁，当传感器节点与汇聚节点相距较远时，可完成数据的转发及管理。传感器节点为终端信息采集设备，根据需要，网络中可以有多个负责土壤墒情信息的采集，并向路由节点、协调器节点上传。

2.2 网络拓扑结构

ZigBee无线传感器网络有星型、树型和网状三种网络拓扑结构。星型网络由1个协调器节点和多个传感器节点组成，协调器节点为中心汇聚节点，负责与每一个传感器节点通讯，传感器节点之间则不能直接传输数据。树型网络相对星型网络增加了路由器节点，协调器不仅能与终端节点连接通讯，也可以与一系列路由器节点相连，路由器子节点又可与其他路由器、终端节点连接，这样的网络可以形成多层级继承结构。网络中的信息只能向上传给其上级路由节点或协调器节点，形成唯一方向的信息通道。网状网络在结构上与树形类似，都有协调器节点和多个路由器、终端节点，但网状网络每个节点之间可以对等通讯，信息路由规则更加灵活。

综上所述，在土壤墒情监测系统中，信息需要从终端节点上传给监测中心，所以，可看作单向传输的网络结构。在星型、树型和网状3种网络结构中，网状结构功能最灵活，网络设计稍显复杂，树状结构兼具了星型的简便和网状的灵活，可以满足土壤墒情监测的需求，所以，本文中的ZigBee无线传感器网络采用树状拓扑结构。

2.3 系统设计

在设计系统中的传感器节点时，要满足土壤墒情监测的需求，充分考虑恶劣的实际应用环境。经综合比较，北京无线联科技的TS系列土壤墒情传感器体积小、安装维护简单、密封性好、测量精度高、响应速度快，本文用它作为信息采集单元，采用Silicon公司的C8051F350 MCU作为传感器节点微控制器，期望设计出低功耗、低成本、高效、可靠、便捷、可扩展的传感器节点。

目前，在主流的ZigBee芯片中，飞思卡尔公司的MC13213芯片设计协调器模块具有明显的竞争优势。此ZigBee功耗低、存储灵活、高度集成，带有嵌入式闪存、10位模数转换器、低压中断和键盘中断等功能，还有集成收发/接收开关，组网方便，可支持专用点到点、星形、MUSH网络等。

在电源方面，因本系统为野外使用，电网供电成本高，电池供电则需经常更换电池，所以，结合系统使用环境以及各种供电方式的优缺点，使用太阳能蓄电池供电方式能解决上述供电方式中的问题。

在实际应用时，网络与上位机的接入点通常固定，可采用基于TCP/IP协议的有线接入方式，这样既节省成本，又可以实现高速率远程访问。本文采用了 WIZnet公司的W5100网络接口芯片搭建因特网接入模块。

3 系统测试

为了验证本系统的稳定性和可靠性，选取了一块农田作为实验用地，在农田区域内随机放置了3个传感器节点，其中一个作为路由节点，另两个作为传感器节点。周期性地采集当前农田区域中的土壤墒情信息。实验开始前的准备工作包括有下载程序、ZigBee 模块设置、系统上电。设置传感器节点每隔10 min采集一次土壤墒情信息，其中，一个较远的传感器节点通过路由器，另一个直接将采集到的数据上传给协调器，从而传给上位机。实验结果表明，此系统能够实时采集土壤墒情信息并上传，具有一定的可靠性和稳定性，能用于土壤墒情监测，为实现农业自动化提供了可靠的数据来源。

4 展望

本项目基于我国国情，设计了用于农业生产的ZigBee无线传感器网络土壤墒情监测系统，具有易实现、成本低等特点，并采用TCP/IP协议接入因特网，方便实现了远程监控。经实验验证，本系统具有一定的可靠性和稳定性，可以用于实际农业生产。

总体而言，本系统还有可提升的空间，比如可以改善系统的存储方式，添加USB存储设备，这样可以方便大批量数据的存储和扩展，有效弥补了传统存储方式的不足；在数据采集方面，可以根据设计环境设计合适的修正算法，从而对系统数据进行修正，提高系统的准确度；在上位机方面，可以利用组态软件设计监控界面，便于二次组态开发与实时监控；本系统用于土壤墒情监测时，可根据不同的需要对系统进行适当修改，提升系统的通用性和扩展性。

参考文献

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[2]王文贞.基于ZigBee无线传感器网络的土壤墒情监测系统[D].河北：河北工业大学，2014.

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作者简介：郑向歌（1988—），女，河南许昌人，2010年毕业于郑州大学自动化专业，学士学位；2013年毕业于郑州大学控制理论与控制工程专业，硕士学位；现任河南水利与环境职业学院机电与信息工程系教师。

〔编辑：张思楠〕