农业物联网中ZigBee传输技术的应用

长江大学电子信息学院 魏江东 阮宁君 李榕柏 徐 柳

早期，农业的环境监测系统大多数采用有线组网的方法。虽然此方法通信时可靠性和保密性较强，但网络在布线和维护过程中的线路腐蚀和损坏问题会导致网络中断，将给正常工作带来影响。并且这种方法建设费用大，维护成本高，因而不利于农业大范围使用。近年，关于无线检测系统采集方面研究有陆健强等的报道[1-4]，这些研究主要是以nRF905作为无线传输媒介，但组网能力有限，传输距离过短，不利于大范围农场的信息监测。基于此，本文提出了一套基于ZigBee无线传输技术的监测系统[5]，采用有线通信与ZigBee自组网相结合的方式，融合两者的优点，感知并采集与农作物生长相应生态环境的实时信息发送给远程服务端，实现范围性广、可靠性高的数据传输功能，满足现代农业精细化生产和智能化决策的要求，增强了对农场的监控能力，为农作物安全优质生产提供保障，进而，提高农场的生产效率、提升农产品的品质以及降低了农作物的生产成本。

1.ZigBee技术简述

1.1 ZigBee概述

4igBee的命名来源于蜜蜂。蜜蜂体积小，传送信息简单，传送距离短，信息不断在节点间传递最终到达目的节点。这样的传递机制与这种无线传感器网络技术十分相似，后用比喻的说法将这种成本低、功耗小的无线通信技术命名为ZigBee技术。

1.2 ZigBee技术特点

⑴低功耗：因为ZigBee的发射功率低，约为1mW，所以其耗能很低。且ZigBee的工作周期非常短，大部分时间处于休眠模式，不必为了维持网络而一直工作。据估计，使用两节五号电池，可供电ZigBee设备6个月至两年的时间，这点是其他无线传输设备无法超越的。

⑵时延短：无论是在通讯中的时间还是从休眠模式激活的时间都非常短，典型的一般在15-30ms，所以对于时延要求很高的无线控制，ZigBee技术非常适用。

⑶网络容量大：对于一个最为简单的星型拓扑网络，可容纳1个主设备和25从设备，并且在一个区域范围内，可有100个ZigBee网络同时覆盖，所以拥有灵活的组网形式，65536个节点的ZigBee网络，足够组建超大距离的局域网。

⑷成本低：相比与其他无线通信设备，ZigBee的协议被大幅简化，因此这就降低了对通信接口设备的要求，且ZigBee免协议专利费，所以其芯片便宜，每块8～10元。

1.3 ZigBee的网络结构

根据ZigBee设备在网络中的作用与功能要求，将其设备分为协调器（Co-ordinator）、路由器(Router)、终端设备(End Device)。其中，协调器的主要功能是建立和配置网络，保证整个网络中的设备之间的正常通信，一旦整个网络建立完成，这个协调器的功能就像路由器节点。路由器主要起路由作用，负责维护网络路径，允许其他设备加入网络及数据传输。终端设备结构一般较简单，主要负责控制和监测的作用。

由于ZigBee强大的组网能力，可以形成三种网络拓扑结构，分别为星形、树形和网状网，如图1所示。

其中，如图1（a）所示的星形拓扑，是最为简单的ZigBee网络结构，一个协调器（Co-ordinator）以及若干个终端设备(End Device)就可实现。终端设备(End Device)之间的通信只能通过协调器（Coordinator）。这种网络结构的优点是结构简单，设备成本低。但网络覆盖范围较小，而且节点之间只有这一个数据路由器，所以，协调器（Co-ordinator）可能会成为整个网络的阻碍，造成网络堵塞。

图1 ZigBee的拓扑结构

如图1(b)的树形拓扑中，网络结构包含一个协调器（Co-ordinator）和若干的路由器(Router)以及终端设备(End Device)节点。此结构保留了星形结构的简单性，成本较低，可以在相对经济的条件下扩大覆盖范围。这种网络结构的缺陷就是通信中传递的信息只有唯一的路由通道，一旦任意一个路由器出现问题，将导致与之关联的路由节点分离。

如图1(c)的网状拓扑同树形拓扑，网络结构包含一个协调器（Co-ordinator）和若干的路由器(Router)以及终端设备(End Device)节点。这种拓扑结构使得信息的通信效率更高，且当一个路由出现故障时，信息可从其他路由节点进行传输，缺点就是，较于以上两种方式，其成本高，需要更多的网络资源。

1.4 ZigBee组成监测系统设计

本文设计的监测系统的总体框架设计如图2所示，各种传感器和众多ZigBee节点组成一个ZigBee无线监测网络，负责监测数据的采集。每一个ZigBee监测网络都由网关节点和一系列的传感器节点组成。监测网络采用星形结构，一个星形结构网络覆盖范围虽小，但经济实惠，适合应用于农场监测。网关部分作为监测网络的基站具有双重功能，第一，可以自动建立和配置网络，实现着协调器（Co-ordinator）的功能；第二，成为监测网络和监控中心的纽带，向监控中心传递采集到的信息。此监测系统有自动组网的功能，一直处于监听状态的网关会在网络中自动检测新添加的传感器，同时无线路由会把节点信息传给无线网关，由无线网关进行编址，更新数据和设备关联等。

传感器与路由器节点形成一个多跳的网络。各种传感器分布于监测区域内，将采集到的数据发送给就近的ZigBee中继节点，后ZigBee中心节点将接收到的ZigBee中继节点信息进行汇聚，这里的中心节点的作用是将汇聚的信息进行初步的处理，有效降低系统的通信代价，并降低能耗水平。然后，ZigBee中心节点将信息传给网关，网关将采集的信息传送给远程监控中心，以便于用户进行远程监控管理。同时无线网关不仅可以将数据送到监控中心，而且还可以将数据送入互联网中的云平台，进行大数据的储存、管理和分析。图2展示了由Zig-Bee无线网络组成的节水灌溉的控制系统框图。

图2 监测系统总体框架设计

1.5 ZigBee硬件设计

对于ZigBee无线模块，本文使用射频芯片CC2530。CC2530共有40个引脚，其中包括了RF射频接口、电源接口、和晶振接口等。该芯片由TI生产，有很强的集成开发环境支持。这个系统芯片旨在实现嵌入式ZigBee，支持2.4GHz IEEE 802.15.4网络协议。因为CC2530芯片本身的发射功率很小，所以它的接收灵敏度被固定在某一水平，限制了其无线射频通信的距离。图3为CC2530芯片的具体电路设计，CC2530芯片的22、23引脚外接32MHz晶振，为芯片正常工作提供时钟，31、32引脚外接32.768KHz晶振，用作控制时钟，25、26引脚为CC2530自带的RF接口。而CC2591是由TI生产的高性能射频前端，可以与CC2530无缝连接，适用于2.4G低电压、低功耗的无线通信。CC2591通过功率放大器提供较高的发射功率，通过噪声放大器提高接收机的灵敏度，从而提高无线通信系统的通讯质量，且可以扩展CC2530 RF的距离为原来的15倍左右。同CC2530一样，CC2591也是高度集成的芯片，其2、4引脚具有射频收发功能，将2和4引脚与CC2530射频接口相连，可实现射频功率的放大和接收灵敏度的提高。

2.系统应用

齐齐哈尔市昂昂溪区的智慧农场是本文ZigBee组成无线监测系统的应用项目。该农场运用了由混合网，各种传感器，无线网关，太阳能供电组件，高清摄像头和小型气象站组成的ZigBee无线监测系统，此系统网络用于数据采集和环境监测。

在本文的无线监测系统中，传感器的数据间隔一段时间通过ZigBee中继节点传送到中心节点，之后，中心节点将采集到的土壤方面的信息传输到外部的网络中，进而通过不同的传输方式实现这些数据的转发，在这里面，这些节点相当于是孤立的计算机系统，担任着传感器系统的服务器的角色，直接进行数据和各项状态的监控。可以通过监测平台清楚的看到农场中的温湿度、PH值、氨氮含量等参数，可高效掌控农作物生长势态、病虫害等情况，当环境参数超过正常值时将会发出警报告知用户，用户可利用PC端等远程设备来调节控制指定的设备，让用户可以足不出户就可以掌握和控制农情，同时采取相应的措施来进行自动灌溉、施肥。

图3 CC2530芯片电路设计

3.结语

本文提出了基于ZigBee技术的无线监测系统，构建了系统的体系框架并介绍了其在物联网农业的具体应用。目前应用于物联网的无线监测技术以温室大棚为主，并且控制功能相对较弱。此监测系统不仅能监控温室大棚，而且可应用于露天果园和面积更大的农田，具有更强的环境适应性，相比于传统监测系统，更为节能降耗。智慧农场的项目表明，本文的ZigBee无线传输系统确实适应性强，数据传送稳定，节能效果明显，用户体验大大提升,具有巨大的规模农业的应用前景。但由于本文设计的ZigBee无线监测系统是采用星形拓扑结构，传输稳定性等方面在后期需逐渐改善。

[1]陆健强,王卫星,周泽强.用于茶园监测的无线传感器网络3G网关设计[J].农业工程学报,2011,27(5):169-173.

[2]杜雅刚.黑龙江垦区基于物联网的智慧农业应用方案研究[J].现代化农业,2015,(12):54～56.

[3]孙荣霞,袁颖,王硕南,李瑞.基于ZigBee的温度湿度监测系统的研究[J].计算机测量与控制,2016,24(11):81～84.

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