基于ZigBee技术的户外农作物无线传感网的设计

王三山

（遵义职业技术学院，贵州 遵义 563006）

0 引 言

传统农业信息化程度低，农作物的生长受自然天气影响较大，当发生自然灾害时，往往不能及时采取措施，仍存在“靠天吃饭”的弊端。如果采用传感器实时采集各种环境变量，并利用ZigBee技术组建无线传感网络，就能准确掌握环境变化情况，及时调整种植方式，改善农作物生长状态，真正实现农业信息化与智能化。

1 浅谈ZigBee技术

ZigBee技术是一种无线通信协议，底层采用由IEEE 802.15.4标准定义的MAC层和PHY层[1]，常用于短距离、低速率数据传输的无线通信设备，属于物联网感知层的关键技术之一[2]。

1.1 ZigBee技术与无线传感网

在物联网的三层架构中，感知层如同人的视觉、听觉和触觉，感知周围环境的变化，并利用传感器、射频识别、图像识别等技术完成数据的采集。

在感知层中，以无线通信形式将各传感节点以自组织和多跳方式构成的网络被称为无线传感网[3]（Wireless Sensor Network, WSN）。无线传感网常用的通信技术有蓝牙、WiFi、NB-IoT、GPRS、ZigBee等，而在低速率、短距离数据传输的应用场景中，ZigBee技术有着得天独厚的优势。

在ZigBee无线传感网中，各节点可被配置成以下3种角色：

（1）协调器：负责ZigBee网络的创建和初始化，同一ZigBee网络中只能有一个协调器[4]。协调器管理网络中的路由节点和终端节点，并将所有数据汇集后传至上位机。

（2）路由节点：帮助其他节点加入网络，拓展网络覆盖面，负责转发其他节点的消息，是协调器与终端节点或其他路由节点间通信的桥梁。

（3）终端节点：负责采集传感器数据或控制执行器，位于网络末端，可以发送和接收消息，但不能转发其他节点消息。

1.2 ZigBee技术优点

（1）低功耗

虽然ZigBee的传输速率低，但其发射功率也低，仅为1 mW，处于低功耗模式下的ZigBee设备仅靠两节5号电池就能提供6至24个月的工作供电[5]，因此特别适合无外部供电情况下的户外设备使用。

（2）低成本

ZigBee模块成本仅为1.5～2.5美元，且ZigBee协议栈属于半开源，免专利授权费[6]，成本优势突出。

1.2.1 大容量

网状结构的ZigBee网络，理论上可以容纳六万多个节点，即使是星型结构的ZigBee网络也可容纳两百多个节点[7]，远远超蓝牙网络容纳的8个节点和WiFi网络容纳的32个节点。

1.2.2 高安全

ZigBee技术采用的碰撞避免策略提高了网络的可靠性，同时ZigBee还提供有3个等级的安全模式，也可采用AES-128加密算法进行通信加密[8]。

2 应用于户外农作物的无线传感网设计

2.1 技术需求分析

户外农作物无线传感网主要为实现对影响农作物全生长周期的各环境要素的数据采集、传输和存储功能，便于农户实时掌握农作物生长状态，提高农田产量和作物质量。

2.1.1 环境参数的采集

在农作物全生产周期中，对农作物进行种植、管护时，需要对农作物的各生长要素进行监测，为智慧农业的进一步研究提供数据支撑。传感节点需采集对农作物影响较大的土壤温湿度、土壤电导率、土壤pH值、空气温湿度、空气CO2浓度、光照度等环境参数。由于农作物生长周期较长，各因素变化缓慢，故采样间隔拟设定为5 min。同时，配备有风速监测、降雨量监测、紫外线监测、气压监测等功能的小型气象站，可提供实时全面的气象数据。

2.1.2 无线传感网络的搭建

传感器的有线传输会影响农作物的耕种、施肥和收获，因此，传感器的无线组网方式是智慧农业的必然趋势，同时无线传感网也需具备低功耗、低成本、低维护等特点，以适用于户外环境。最后，无线传感网中的各传感数据需及时上传PC端，便于数据存储和分析。

2.2 无线传感网结构设计

户外农作物无线传感网采用星型拓扑结构，它包含1个协调器和多个终端传感节点[9]，传感节点与协调器间通过基于ZigBee协议的无线信号进行数据交换。

传感节点包含搭载ZigBee通信模块的开发板和工业级传感器（或小型气象站），两者通过RS 485总线连接，因此可以在1个传感节点上轻松挂接多个传感器，传感器可以为同种类或不同种类。无线传感网结构示意如图1所示，可以根据实际情况灵活选择挂接传感器的数量。

图1 无线传感网结构示意图

无线网络创建完成后，协调器用于汇集网络中所有传感节点采集的数据，并将数据通过RS 232串行通信线传至服务器用于分析、存储或程序开发。

2.3 传感节点硬件设计

2.3.1 单片机选择

德州仪器（TI）公司推出的CC2530型号单片机兼容IEEE 802.15.4标准，内部集成增强型8051内核，结合TI公司发布的Z-Stack协议栈，可缩短开发周期，降低开发难度，对于使用者而言更加容易使用。CC2530单片机是ZigBee片上系统的最佳解决方案之一[10]。CC2530单片机及其引脚如图2所示。

图2 CC2530单片机及其引脚

2.3.2 传感器选择

户外农田中均采用工业级传感器（工业传感器具备防水防尘、耐高低温、稳定性好、安装简单、寿命较长，能够适应户外各种恶劣条件等优点）。传感器信号传输采用RS 485形式，该通信方式具有通信距离长、抗干扰能力强、挂接设备方便等特点，便于传感器远距离使用。传感器性能参数见表1所列。

表1 传感器性能参数

2.3.3 电源选择

传感节点安装于户外农田，因环境因素变化缓慢，所以采样间隔时间为5 min，节点在不工作时处于休眠状态，耗电量极低，因此传感节点采用蓄电池加太阳能板的供电方式。协调器需要保持持续工作状态，因与服务器电脑连接较近，故可采用USB供电方式。

2.4 小型气象站

小型气象站用于对各气象要素进行现场监测，包括空气温度、湿度、风速、风向、降雨量、光照强度、紫外线、气压、最大风速、累计降雨量等。气象站采用太阳能系统供电，并配有LED显示屏用于实时显示气象数据。气象站既可通过RS 485信号线与传感节点开发板通信，作为传感网中的终端设备提供本地数据，又可通过NB-IoT通信方式将数据传输至云平台，作为联网设备提供远程数据，两种通信方式为不同的应用场景提供了解决方案。小型气象站示意图如图3所示。

图3 小型气象站示意图

小型气象站采集的气象参数如下：

（1）温度范围 ：-40 ～ 60℃，精度 ：±1 ℃，分辨率 ：0.1 ℃；

（2）湿度范围：10%RH～99%RH，精度：±5%，分辨率：0.1%RH；

（3）雨量范围：0～4 999.9 mm，精度：±10%，分辨率：0.1 mm/min；

（4）风速范围：0～60 m/s，精度：（0～30）m/s±3%、（30～60）m/s±5%，分辨率：0.1 m/s；

（5）风向范围：0～359°，精度：±15°，分辨率：1°；

（6）光照范围：0～300 kLux，精度：±15%，分辨率：0.1 Lux；

（7）紫外线范围：0～20 000 W/m2，精度：±15%，分辨率 ：1 μW/cm2；

（8） 气压：300～ 1 100 hPa，精度：±3 hPa，分辨率：1 Pa；

（9）最大风速分辨率：0.1 m/s；

（10）累计雨量分辨率：0.1 mm。

3 结 语

土壤温湿度、电导率、pH值、空气温湿度、CO2浓度、光照度等环境参数对户外农作物生长状态影响颇大，本文提出的设计方案不仅能够完成环境和气象要素的数据采集，而且考虑到户外使用场景的特殊性，以及传感节点需要具备防水防尘、稳定耐用、功耗较低等特点，故选择CC2530单片机作为控制芯片，采用RS 485输出型工业传感器以及太阳能加蓄电池供电的方式。本文基于ZigBee技术的无线传感网设计具有实用性、可行性，适用于环境复杂的户外场景。