基于WiFi与ZigBee的山区农田环境监测系统研究

韩团军

关键词： 监测系统; 实时采集; ZigBee; WiFi; 环境监测; CC2430

中图分类号： TN926+.23?34                    文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2019）02?0014?04

Research on mountainous farmland environmental monitoring

system based on WiFi and ZigBee

HAN Tuanjun

（School of Physics & Telecommunications Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： A mountainous farmland environmental monitoring system based on WiFi and ZigBee is designed according to the environmental characteristics and application requirements of mountainous areas， so as to solve the limitations of the traditional mountainous farmland environmental monitoring system. The temperature?humidity sensor， illumination sensor and CO2 sensor are selected for the system to conduct real?time acquisition of environmental parameters. The CC2430 radio frequency chip is adopted to complete the function of the ZigBee protocol. Data transmission and connection to the upper computer are realized by combining with the WiFi protocol. The Web server is used for the personal computer to display， process and store data. The experimental results show that the system can realize accurate detection of environmental parameters， which can expand its application range.

Keywords： monitoring system; real?time acquisition; ZigBee; WiFi; environment monitoring; CC2430

随着我国对农业生产环境要求不断提升和农业信息化水平的提高，实现山区农业环境参数实时监测，智能传输和数据处理具有重要的战略应用价值。传统的无线监测网络采用单一的无线传输模式，由于监测点环境广泛性和特殊性，这种监测方法无法解决使用时的耗能和传输速率问题，而且安装不变[1?3]。

为了解决以上问题，结合山区地貌的实际环境本文提出基于WiFi与ZigBee技术的环境监测系统。该方法是将ZigBee技术的低功耗、可自组网和多跳传输的特点和具有易于和工业以太网相互融合传输速率比较高的WiFi技术相结合。可以实现在低功耗和减少传感器数量基础上对当地環境的精确测量[4?6]。

1  监测系统的硬件设计方案

该系统是通过无线传感器节点完成对当地环境参数的采集并将采集到的参数通过ZigBee协议传输到ZigBee?WiFi网关。由于ZigBee技术无法与外网直接融合，所以必须使用WiFi技术作为中转，ZigBee?WiFi网关作用就是实现协议之间的转换。

通过协议网关转换，参数就可以在ZigBee和WiFi之间进行传输和应用。上位机接收、存储和显示通过ZigBee传输到ZigBee?WiFi网关的传感器节点采集到的数据[7?9]。整个系统的硬件框图如图1所示。

2  硬件接口的设计

智能传感器节点的硬件结构，ZigBee路由节点硬件的关键是选择能耗和成本比较合适的微处理器芯片，为了增加节点数据的处理和存储能力，采用TI公司片上系统CC2430通信模块。该模块能够满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段的应用。该芯片集成了一个2.4 GHz DSSS的收发器和高性能的8051控制器，支持多种ZigBee协议。传感器节点如图2所示。当地区的温湿度数据由SHT71传感器采集，ISL29010完成地区的光照数据、湿温度数据与光照数据通过I2C协议与CC2430进行通信。CO2气体浓度采集选用红外原理的B530传感器，其原理是根据CO2对一定波段红外辐射的吸收作用，使得指定测量范围内辐射能量减弱程度来决定CO2的浓度。土壤的湿度由FDS100传感器进行采集。温度采用DS18B20进行测量，CO2和土壤的温湿度参数都是通过CC2430的P0端口进行采集电压信号的变化。CC2430完成数据的打包与判断，通过差分信号输入到图2中天线模块;天线模块对CC2430输出的差分信号通过放大进行发射，同时将接收网关传回的信号传入CC2430模块中[10?14]。

2.1  WiFi模块的设计

硬件中WiFi模块是针对ZigBee?WiFi设计的，其作用是完成数据从ZigBee模式向WiFi模式的转换和WiFi模块对信号的收发。WiFi模块和CC2430通过串口进行通信，WiFi模块通过串口接收CC2430上传的当地环境参数的采集信息，并通过WiFi协议和工业以太网进行通信;同时上位机控制指令通过WiFi模块发送给网关节点，其指令通过CC2430进行处理后通过ZigBee协议传送到相应的智能采集节点。WiFi模块采用ESP8266，特点是具有尺寸小、硬件接口多、功耗低、传输数据量大、速度快、通信协议简单、操作方便等众多优点，最重要的是内嵌TCP/IP协议，使网络数据传输更方便。单片机通过USART串口和该模块进行通信，发送AT命令即可轻松完成配置，全双工通信的性能使得终端和底层硬件实现完美结合，有效地提高了数据的实时性。设计中将WiFi模块与单片机的串口2相连如图3所示。

2.2  ZigBee模块的设计

设计ZigBee模块时，传感器节点的硬件连接可以通过I2C串口数字模式读取数据，这种设计方法不仅可以节省处理器接口资源而且连线方便。其中传感器引脚一般接CC2430芯片的P06和P07接口。具体电路如图4所示。

3  系统的软件设计

系统的软件设计包括ZigBee?WiFi网关程序和智能采集节点的程序。

1） 数据采集节点程序。该节点程序主要完成地区的数据采集。系统上电后先是各个节点初始化同时网络进行自检，网络建立成功后，当监听到网关指令系统时按照设定的时间进行周期性的数据采集和信号传输，如果没有新的指令系统处于监听状态，等候网关有新命令传达。具体流程图如图5所示。

2） ZigBee?WiFi网关节点程序。ZigBee?WiFi网关节点程序是建立在应用层上的协议转换器，完成整个区域内数据传输的控制以及ZigBee和WiFi两个相对独立网络之间的传输中的协议转换。通过网关节点可以使传感器节点的数据在不存储的情况下发送给上位机，也可以使上位机的指令发送给指定的节点。网关节点流程图如图6所示。

4  系统的测试

为了方便读取数据，设计Web服务器环境远程监测软件，采用B/S结构的Web服务器。通过系统测试，该系统可以稳定实现环境参数测量，检测软件，用户界面上能稳定显示当前地区的数据结果，用户显示界面如图7所示。

通过对系统进行软硬件设计，通过实验环境测试系统可以稳定对山区环境参数进行测量。测量数据通过ZigBee网络传到ZigBee?WiFi无线网关，再通过WiFi技术将数据转发给上位机应用软件。表1为系统中某一智能传感器节点发回的当地区在1 h内每隔10 min的环境参数数据。

5  结  论

根据现代农业对环境的要求和山区环境的特点，设计基于WiFi与ZigBee的山区农田环境监测系统。该系统能对山区环境实时监测，并可以通过ZigBee?WiFi网关实现测量参数的无线传输，且方便接入上位机。通过LabVIEW实现上位机对测量参数的实时处理和显示。测量结果表明，该系统成本较低、功耗小，能够满足山区农业环境的实时监测要求，具有一定的农业推广应用价值。

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