基于ZigBee协议的果园环境信息远程监测系统

冯春卫

（杨凌职业技术学院 陕西 杨凌 712100）

基于ZigBee协议的果园环境信息远程监测系统

冯春卫

（杨凌职业技术学院 陕西 杨凌 712100）

为方便果园管理和果树环境信息采集，设计并实现了一种利用ZigBee协议传输环境数据的果园环境信息远程监测系统。此系统采用支持ZigBee、低功耗的无线传感器节点组成树状无线传感器网络，由前端传感节点将采集的土壤温度和湿度、果树叶片温度和湿度和光照强度信息数据发送到支持ZigBee和WLAN的协调器，再由协调器通过WLAN网络上传到数据管理服务器。实验结果表明，该系统能传输监测的环境数据，设计可行性良好，系统运行效果满足实际要求。

ZigBee；果园；环境信息；远程监测

近几年来，随着我国农业种植结构的调整和不断完善，果树的种植面积也在日益扩大[1]。种植面积虽然逐渐变大，但是果品质量提升缓慢。果品市场上低档果品卖难和优质果品供不应求的形势已初步反应出了果品质量在果品销售环节占很大影响因素。果园的环境直接影响果树的生长状况，影响了果园内水果品质和产量。为了提高果品质量，应采取措施实施监测果园内环境信息，以及时采取措施保证果树时刻处于最佳生长环境。果园生态环境和果树长势多媒体信息的自动化监测对农业现代化管理和农业信息化建设有着重要意义。研究表明，果园土壤温度和湿度、果树叶片温度和湿度和光照强度等环境因素对果树的健康生长、果园的可持续发展有重要的意义。目前，果园土壤温湿度等环境信息保持主要依靠自然资源。果园环境信息单纯依靠人工采集难度大、效率低、成本高，难以实现长期有效的监测管理，因此建立果园环境信息自动监测系统，及时、全面、准确地获取果园环境信息，对提高果园产量和果品品质均具有重要推动作用。

在国内已有专家对果园环境信息采集进行研究，周仁东等基于无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）对果园环境监测系统的节点进行了设计[2]；赵文星对果园环境智能监测系统及模型进行了研究，最终实现了果园环境智能监测系统[3-4]；胡卫华基于CDMA20001xEV-DO技术设计了果园环境监控系统[5]；任肖丽等利用GPRS技术对在线环境监测系统展开研究[6]；杨嘉鹏运用GPRS与ZigBee技术实现了果园监控系统[7]；安康等设计了物联感知与GSM相融合的果园环境监测系统[8]；端木森嘉基于Zigbee技术设计了果园监测节点[9]；周立等利用Zigbee协议设计并实现了移动式环境监测系统[10]；Li S利用CAN总线技术实现了环境监测系统[11]；本课题利用ZigBee构建WSN网络，采集节点与ZigBee边缘器（ZigBee网关）利用ZigBee协议通信，数据管理服务器和ZigBee边缘器采用WLAN通信，这样的设计有助于支持WIFI的手机查询环境信息采集传感器状态及方便用户通过WIFI网络访问数据管理服务器。采集的果园环境数据通过WSN可以发送到数据管理服务器，用户可以登录数据管理服务器实时监测果园的环境信息。此系统可方便果园管理者多维度实时掌握果树的生长环境信息，及时迅速地采取有效的干预措施。

1 远程监测系统的总体设计

系统主要由ZigBee无线传感器网络、ZigBee协调器、传输网络（WLAN网络）、终端用户及数据管理服务器4部分组成，如图1所示。

图1 远程监测系统总体架构图

ZigBee无线传感器网络由支持ZigBee传感器节点组成，其负责采集果园的土壤温度和湿度、果树叶片温度和湿度、土壤含水量和光照强度等环境信息，然后将采集的信息通过自组网协议ZigBee发送到ZigBee协调器。ZigBee协调器由支持ZigBee传感器节点和支持WIFI的网络模块组成，其负责组建ZigBee无线传感网络和WLAN传输网络。ZigBee协调器将收到的环境信息通过WLAN传输网络转发到数据管理服务器及用户。传输网络可以是3G/4G网络或WLAN，出于节约成本的考虑，本课题选用WLAN作为传输网络。WLAN将采集的数据信息传输到数据管理服务或用户手机，用户可以通过访问数据管理服务器或用手机直接监测果树的生存环境。

2 ZigBee协调器及传感器节点设计与实现

2.1 ZigBee传感器节点

2.1.1 硬件框架

系统中的ZigBee传感器节点硬件框架主要包括RF收发器、微处理器（MCU）及传感单元3大组成部分，具体设计如图2所示。

图2 ZigBee传感器节点硬件框架图

ZigBee传感器节点通过RF收发器接收来自ZigBee协调器的数据，MCU对数据进行处理，并将传感单元感知并采集的坏境信息数据进行处理和封装，通过RF收发器发送给ZigBee协调器。ZigBee传感器节点的MCU采用32位ARM Cortex-M3处理器，RF收发器采用CC2630射频芯片。

2.1.2 软件框架

ZigBee传感节点加电后，设备开始初始化，等待加入无线传感器网络，加入到网络后，传感器节点进人低功耗的休眠模式。一旦接收到协调器发送来的数据包，则会进入唤醒方式接收数据包。如果接收的是采集命令，则控制传感器采集数据；如果接收的命令是控制命令，则完成控制操作。采集数据完成后，ZigBee传感节点将采集的数据发送给协调器；完成控制操作后，将返回的信息发送给协调器。发送数据或消息给协调器后，传感器节点等待协调器确认消息，在最大等待时间内收到确认消息，则完成了本次服务；反之，则重新发送数据或消息。完成服务后，ZigBee传感器节点再次进入低功耗模式，等待协调器的命令，具体程序设计流程如图3所示。

2.2 ZigBee协调器

2.2.1 硬件框架

系统中的ZigBee协调器硬件由ZigBee传感器节点和WIFI模块组成，两部分通过串口相连接。具体设计如图4所示。

图3 ZigBee传感器节点软件设计流程图

图4 ZigBee协调器硬件框架图

ZigBee协调器的功能在于：

1）连接WSN与IPV4/IPV6网络，实现数据包的路由转发，ZigBee协调器从WLAN接口接收IPV4/IPV6网络的数据包，MCU对数据包进行处理，并将处理的数据包通过RF收发器发送到ZigBee无线传感器网络。

2）ZigBee协调器通过RF收发器接收传感器节点发送的数据包，经过MCU处理后通过WLAN接口将数据包发送到IPV4/IPV6网络。

ZigBee协调器选用TI公司的CC2630和ESP8266-14串口WIFI模块 ，CC2630自带强大的ARM Cortex-M3，128KB系统内可编程闪存，8KB缓存静态 RAM（SRAM），封装符合 RoHS标准4mm×4mm RSM QFN32（10个 GPIO），支持 8个电容感测按钮，集成温度传感器和2.4GHz RF收发器。ESP8266-14是一款低成本WIFI-MCU通讯/控制模块，内置ESP8266 WIFI通讯IC和STM8003单片机，该模块内置了一个功能强大的STM8003的芯片，其串口与ESP8266的串口相连，用户可以编写STM8程序，通过AT指令控制WIFI物联网功能。

2.2.2 软件框架

ZigBee协调器通过WIFI模块接收到上位机的控制命令，通过组建的ZigBee网络发送给ZigBee节点。ZigBee节点接收到命令消息后开始执行，完成后将最终的信息发送给ZigBee协调器。ZigBee协调器的主要功能就是接收或发送来自Zigbee网络和IPV4/IPV6网络的数据报文。具体软件工作流程如图5所示。

图5 ZigBee协调器软件设计流程图

3 数据管理服务器

数据管理服务器运行的上位机软件采用LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）平台开发[12-13]。LabVIEW采用功能丰富的图形化语言编程，面向普通用户而不是专业人员[14-15]。LabVIEW平台可以运行多种不同的操作系统平台，应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域[12]。数据管理软件主要功能是数据管理，具体包括数据存储和数据分析两大功能。根据系统功能需求，可将系统软件划分为数据接收模块、数据类型设置模块、数据库管理。数据接收模块通过ZigBee协调器实时监听数据管理服务器的IP地址和传输端口来等待数据采集节点发送数据的指令，收到指令后利用无线网卡将数据传送到数据管理服务器。数据类型设置模块可实现数据格式设置，数据库管理模块是利用数据库的储存和查询功能管理采集到的果园环境信息数据[12]，方便果园管理者或农业科技人员通过数据库查询模块实时了解果园环境信息，及时采取有效干预措施。

4 系统数据处理

系统传感器节点和协调器加电之后立刻初始化，组建ZigBee传感网络成功后，传感器节点等待上位机的指令以采集环境数据；数据采集成功后，存储至数据管理服务器，通过数据管理服务器可以执行运行控制、查询和配置等命令，具体数据流程如图6所示。

图6 数据流程图

5 系统试验验证

5.1 温度传感实验

在实验室里布置3个ZigBee传感器节点和一个ZigBee协调器，协调器通过有线接口路由器跟PC测试机相连，PC机上安装Windows系统。

1）安装ZigBee_Sensor_Monitor_1.2.0和ZStack软件在Windows上。

2）在ZigBee传感器节点安装DS18B20 TO-92温度传感器，配置ZigBee协调器。

3）启动ZigBee Sensor Monitor，可以看见传感的温度。

验证实验表明，传感温度的ZigBee网络组网成功，此网络可以传输温度数据信息。

5.2 数据传输实验

在温室大棚中布置3个传感节点，3个传感节点分别连接温度传感器、光强传感器、湿度传感器，对温室大棚的温度、光照、湿度进行监测，对采集的3种环境数据进行分析和处理，并对温室大棚内不同距离的数据传输进行测试。在测试结果里随机选取了4组数据，如表1所示。

表1 数据传输实验结果

实验结果表明ZigBee传感器节点和和ZigBee协调器之间的距离越短，数据传输越精确，传输速度越高。

5.3 系统监测精度实验

系统正常运行后，在2016年7月28日早上8点到晚上18点在学校温室大棚内监测温度、湿度。采用机械式温湿度表实测大棚内温度、湿度，将远程采集的数据和实测的数据经行对比分析，以验证系统监测精度，实验测试对比结果如图7、图8所示。

图7 温度对比实验结果

图8 湿度对比实验结果

通过对比实验可知，实测数据和远程传感数据误差较小，系统监测精度较高。

6 结 论

本课题设计并实现了基于ZigBee协议的果园环境信息远程监测系统，此系统利用ZigBee网络将采集的果园环境信息发送到互联网，用户通过访问互联网来实时监测果园环境信息。试验测试表明，此系统通过ZigBee网络传输数据，果园管理人员或科技人员可以远程监测果树生长信息，为及时迅速地采取有效的干预措施提供科学依据。

[1]夏雪.基于3G网络的苹果园环境监测系统设计[D].北京：中国农业科学院，2014.

[2]周仁东，郝万君，陈延强，等.基于WSN的果园环境监测系统的节点设计[J].电子设计工程，2012（10）:99-102.

[3]赵文星.果园环境智能监测系统及模型研究[D].南昌：华东交通大学，2015.

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[6]任肖丽，陈佳喜，王骥.基于GPRS技术在线环境监测系统的研究[J].现代电子技术，2015（4）:60-62.

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Orchard environment information remote monitoring system based on ZigBee

FENG Chun-wei
（Yangling Vocational&Technical College，Yangling 712100，China）

In order to facilitate the management and information collection of Orchard，this paper designed and realized a Orchard environment information remote monitoring system with ZigBee protocol used to transmit environmental data.The designed system has adopted the wireless sensor node which supports ZigBee and boasts low-power consumption，to form tree wireless sensor network.The information data collected of soil temperature and humidity，tea leaf temperature and humidity as well as illumination intensity，through front-end sensor node，will be sent to the coordinator which supports ZigBee and WLAN,and then the coordinator will upload the data through WLAN network to data management server.Test results show that this system can transmit the environmental monitoring data and have good design feasibility,and in addition,its operation results can meet the demands of reality.

ZigBee； orchard；environment information；remote monitoring system

S126；TN926

A

1674－6236（2017）16-0112-05

2016-08-17稿件编号：201608129

杨凌职业技术学院科学研究基金项目（A2015006）

冯春卫（1982—），男，陕西咸阳人，硕士，讲师。研究方向：智能物联网应用研究。