基于ZigBee的麦田数据采集与传输系统

田鹏　李广

摘 要：随着科技的不断进步，物联网技术逐渐被应用于农产品生产过程、储运过程、品质鉴定过程、病虫害监测等领域。本文设计了一款麦田数据采集与传输系统。该系统以ZigBee为基础搭建无线网络传输平台及上位机管理软件，能实时更新后台数据库，实现预定目标，可为进一步构建智能在线病害识别系统奠定基础。

关键词：ZigBee；数据采集；无线传输；上位机

中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-0007-03

ZigBee - based Wheat Field Data Acquisition and Transmission System

TIAN Peng LI Guang

（College of Agricult， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070）

Abstract： With the progress of science and technology， Internet of things technology has been gradually applied to agricultural production process， storage and transportation process， quality identification process， pest and disease monitoring and other fields. This paper introduced the design of a field data acquisition and transmission system. The system is based on ZigBee to build a wireless network transmission platform and PC management software， real-time update the background database， to achieve the target， for the further construction of disease recognition intelligent online system.

Keywords： ZigBee；data acquisition；wireless transmission；host computer

近年來，物联网技术被逐渐应用于农产品生产过程、储运过程、品质鉴定过程和病虫害监测等领域，且得到了快速发展。当前，对能随时随地提供信息服务的无线通信的需求越来越迫切，传感器技术、低功耗的无线通信技术的进步，使得生产具备感应、无线通信及信息处理能力的微型无线传感器已成为可能，这些廉价的、低功耗的传感器节点共同组成无线传感器网络，具有较为广阔的应用前景[1]。基于此，本文主要探讨基于ZigBee的麦田数据采集与传输系统。

1 无线检测通信协议

目前，市场上流行的无线通信技术较多，工业和民用领域已经广泛使用的无线数据网络协议有Wi-Fi、超宽带无线通信、蓝牙（Bluetooth）、电力载波技术、Wireless USB、红外线数据通信IrDA和ZigBee技术等[2]。

麦田数据采集与传输系统选择以ZigBee技术为基础的无线通信模块，这主要是因为ZigBee技术具有近距离、低功耗、低速率和低成本的特点[3]。作为通信模块，ZigBee技术专注于10Kbps至250Kbps的低速率传输应用，主要适合于自动控制和远程控制领域。大田作物病虫害检测对实时速度要求并不高，且成本要求低，综合多种因素，认为ZigBee这种无线通信方式很适合本次检测。

2 网路拓扑

无线通信的网络拓扑结构多种多样，拓扑结构选择得好将会给后期开发、后期应用提供一个良好的基础支撑。ZigBee网络有三种逻辑设备类型：终端设备（End-Device）、协调器（Coordinator）和路由器（Router）。其中，协调器（Coordinator）主要负责组建无线网络并进行维护；路由器（Router）主要负责无线网络数据的路由；终端设备（End-Device）主要负责无线网络数据采集。一般情况下，ZigBee网络大多由一个协调器及多个路由器和多个终端设备组合而成。实际使用时，根据具体实现功能不同，确定不同的网络拓扑结构及相互之间的连接方式[4]。

ZigBee常用的拓扑结构主要有三种。第一，星型网络是最简单的一种网络拓扑结构，其通常包含一个协调器和一个以上的路由器或终端节点。在无线网络中，协调器外的任意两个设备之间的通信必须经过协调器进行信息转发。该拓扑结构的特点是：结构简单，数据传输路径单一。第二，树形网络包含一个协调器和多个路由器或终端节点。其和星型网络不同的是：网络中的路由器可以与路由器和无线终端连接，可以扩展距离，且这样的结构可以重复多个层次。第三，网状拓扑包含一个协调器和一系列的路由器及终端设备。与树形网络拓扑相比，其具有更灵活的信息传输路由规则。在多个路由的情况下，如果某一路由发生问题，不能正常工作，那么原本与该路由通信的节点可以转而选择其他的路由来传递信息，这样可以大大提高通信效率。

笔者综合所采集的数据量及传输距离，选用耗电最小的星型拓扑结构。

3 系统硬件设计

3.1 总体结构

在星型网络拓扑结构的基础上，多个终端传感器测量到数据后传送给ZigBee终端节点，通过无线网络传送到协调器上，协调器再通过串口传到上位机显示出来，系统结构如图1所示。

3.2 主控芯片

系统选用集成芯片CC2530作为射频电路的无线收发芯片，该芯片兼具微控制器及射频无线收发的功能。CC2530有四种不同的版本：CC2530-F32/64/128/256。集成芯片CC2530主要有以下几方面特点：分别带有32/64/128/256KB的闪存空间；内部有256KB的闪存和20KB的擦除区域，可以支持无限更新和适合大型应用程序；8KBRAM方便用于更为复杂的应用和ZigBee应用；可编程输出功率达+4dBm；在掉电模式下，只有睡眠定时器运行时，仅有不到1μA的电流损耗；具有强大的地址识别和数据包处理引擎；接收数据灵敏度较高；使用电池就能持续为其供电[5]。

3.3 其他模块

系统中终端采集主要涉及光照度、温度、湿度、作物颜色信息、重点图像采集等。考虑实际使用时的成本问题，选型时终端传感器尽量选择集成度较高、寿命长、性能稳定且适用于户外恶劣条件的传感器；安装地点的选择要结合生产需求进行实地考察；供电方式尽量采用太阳能供电；减小人工架线和后期更換及维修等成本。

3.3.1 光照模块。光照采集采用低成本的光敏电阻作为感光元件。由于CC2530芯片上集成的有A/D转换模块，省去了外围连接A/D转换芯片，使电路更简单、可靠。光敏电阻对光的敏感性较好，其电阻的大小和光线的强弱有一定的关系。光强与电阻成反比关系，实际测试时有一定的非线性。为了在不增加硬件成本的基础上进一步提高其检测精度，在软件中增加了非线性参数修正算法改善其非线性。

3.3.2 电源模块。考虑到设备中所有ZigBee终端节点的工作环境在室外，条件比较恶劣，常规供电方式走线或更换电池等均不合适，因此，采用太阳能直流电源供电，并附带干电池供电，以供设备安装调试或移动时备电使用。在直流电源供电方式中采用电源适配器转换后输出直流5V电压。在使用时，可通过跳线设置开关选择所需要的供电方式。通过开关选择能够控制整个节点模块电源的开启与关闭，能更大限度地减少能耗。由于系统多个模块需要3.3V直流电压信号，5V电压通过低功耗低压稳定模块换成3.3V的工作电压供给整个系统，稳压模块选用的是SE1117，快速的瞬态响应、噪声抑制和内置热关断是选用原因。电池供电电路中选择稳压3.3V低纹波充电泵TPS60211。

3.3.3 下载接口。下载接口实现CC2530系列节点片上系统的在线调试和程序下载功能，执行单步调试设置断点来实现，观察变量的变化并记录，还可以使用软件来分析数据及寄存器。下载接口有供电电源线、按键复位线、时钟线、数据线和接地线。

4 终端采集与协调器模块软件设计

4.1 协调器数据采集模块的软件设计

协调器模块软件设计流程见图2。

ZigBee协调器上电后，自动进行信道搜索，选择软件设定的信道，然后初始化，设定好一些网络参数，使协调器达到工作状态。如果终端向协调器发送的信息正确，协调器数据采集模块确认将允许终端加入其网络，并分配给节点一个16位的短地址和相关的网络参数，作为设备在网络中的标识。

4.2 终端数据采集模块的软件设计

终端采集模块软件程序流程图如图3所示。上位机协议的指令一共由6个字节组成，上位机发送给协调器的协议格式为：固定值0×02+ID号+所测量的传感器的编号和相应的测量类型+0+0+前5个字节的校验。

5 上位机界面的开发

该系统上位机界面主要包括菜单、按钮、文字、报警、曲线图和后台数据库的设计等。其中，菜单设置有常规功能；按钮设置有打开串口、关闭、退出、刷新等功能；文字主要是对相关功能进行功能说明；曲线图通过调用专用函数，动态显示所得到的数据。

6 小结

本文基于ZigBee无线通信技术，设计了麦田信息采集与传输系统，对麦田终端的相关参数（温湿度、图像、病虫害信息等）进行检测、传输，使信息的获取及管理更加及时，为下一步构建智能农业奠定基础。系统完成了采集终端硬件及软件的设计；采用星型拓扑网络结构进行组网；由于网络协调器要进行大量的数据处理工作，所以采用持续供电方式；传感器终端节点采用的是太阳能电池加备用充电蓄电池供电方式。各个实验点终端节点间可以通信，节点与网络协调器也可进行数据传输通信。

本文设计了上位机管理软件及手机终端应用软件，完成系统的总体功能设计。编写的上位机管理软件可以实时远程管理，后台数据库数据实时更新。结合相关课题组研究成果，利用本课题构建的无线传输系统进行现场试验。通过实验结果的对比以及实验数据的分析可知，该系统能够实时更新后台数据库，实现预期目标，数据采集与传输稳定，可为下一步构建智能在线病害识别系统奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]吕鑫，王忠.ZigBee无线数据传输模块的设计与实现[J].安徽师范大学学报，2010（7）：332-336.

[2]汪京京，张武.农作物病虫害图像识别技术的研究综述[J].计算机工程与科学，2014（7）：1363-1368.

[3]吴瑾，潘启勇.基于MC13213的单芯片ZigBee平台的物理层协议研究与实现[J].微型机与应用，2010（23）：61-65.

[4]蔡义华，刘刚，李莉，等.基于无线传感器网络的农田信息采集节点设计与试验[J].农业工程学报，2009（4）：176-178.

[5]高峰，俞立.无线传感器网络作物水分状况监测系统的上位机软件开发[J].农业工程学报，2010（5）：175-181.