適用于山區(qū)農(nóng)業(yè)的ZigBee無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳斌 李世紅 徐娜

摘要：為有效解決偏遠(yuǎn)山區(qū)無(wú)人值守的農(nóng)業(yè)基地環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)難題，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，增加農(nóng)民收益，設(shè)計(jì)了一種適用于山區(qū)農(nóng)業(yè)的基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)農(nóng)業(yè)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)采用多級(jí)樹簇型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、CC2530芯片核心的無(wú)線數(shù)字通信模塊，用戶可以通過(guò)智能手機(jī)端或者PC電腦對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行登錄訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：ZigBee;無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng);精細(xì)農(nóng)業(yè);無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP393 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2015）02-0457-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.052

Designing Wireless Monitoring System of Mountain Agriculture Based on ZigBee

CHEN Bin1，2，LI Shi-hong1，2，XU Na1，2

（1. Wenzhou Vocational College of Science and Technology， Wenzhou 325006， Zhejiang， China;

2. Wenzhou Academy of Agricultural Sciences， Wenzhou 325006， Zhejiang， China）

Abstract： In order to effectively solve the problem of real-time monitoring remote and large agricultural base in mountainous areas， improve the quality of agricultural production and increase income of farmers， the wireless monitoring system of precision agriculture based on ZigBee wireless sensor network was designed. The results showed that the system used a multi-stage cluster tree network structure， wireless digital communications module based on CC2530 chip core. The users can use smart phone or PC to access the system and monitor the remote agriculture bases in mountain.

Key words： ZigBee; wireless monitoring system; precision agriculture; wireless sensor networks

我國(guó)大部分的農(nóng)業(yè)基地是在山區(qū)，而精細(xì)農(nóng)業(yè)需要對(duì)農(nóng)業(yè)基地的溫度、濕度、光照度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)于邊遠(yuǎn)山區(qū)的農(nóng)業(yè)基地來(lái)說(shuō)，按傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)手段來(lái)實(shí)施的話，難度非常大。因此，本研究設(shè)計(jì)了一種精細(xì)農(nóng)業(yè)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)[1]構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采集山區(qū)農(nóng)業(yè)基地的溫度、濕度、光照度等參數(shù)，結(jié)合研發(fā)的應(yīng)用管理軟件對(duì)農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)具備長(zhǎng)期工作、智能運(yùn)轉(zhuǎn)、無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備可分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）、終端節(jié)點(diǎn)（EndDevice）等3種。在每個(gè)農(nóng)業(yè)基地監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建一個(gè)多級(jí)樹簇型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，布置一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)、眾多的采集終端節(jié)點(diǎn)。每個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)以及子節(jié)點(diǎn)自形成一個(gè)簇，如果子節(jié)點(diǎn)是路由器的話，該子節(jié)點(diǎn)再形成一個(gè)簇，如此拓展，形成多級(jí)樹簇型網(wǎng)絡(luò)。采集終端節(jié)點(diǎn)上配置了溫度、濕度、光照度等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、光照度等多種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)配備了太陽(yáng)能模塊給節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電，以便節(jié)點(diǎn)可以持續(xù)進(jìn)行工作。嵌入式網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，把采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)指令發(fā)送給云端服務(wù)器。在應(yīng)用程序?qū)用嫜邪l(fā)了基于3層架構(gòu)的web應(yīng)用管理系統(tǒng)，以供用戶使用PC端和智能手機(jī)端通過(guò)因特網(wǎng)來(lái)登錄系統(tǒng)，獲取指定農(nóng)業(yè)基地的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，從而達(dá)到用戶在任何時(shí)間任何地點(diǎn)可以對(duì)指定的農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?芯片選型

傳感器節(jié)點(diǎn)的芯片采用TI公司的CC2530芯片。該芯片是兼容IEEE802.15.4的片上系統(tǒng)，支持專有的ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)。101dB的鏈路具有良好的抗干擾性以及高靈敏度。此外還擁有多種供電模式以及一套廣泛的外設(shè)集，包括2個(gè)USAR、12位ADC和21個(gè)通用GPIO，具有良好的RF性能，配置了標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)的8051MCU內(nèi)核，還支持低功耗無(wú)線通信。CC2530可以應(yīng)用到智能家電控制、遠(yuǎn)程控制、消費(fèi)型電子、計(jì)量和智能能源、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療等領(lǐng)域。根據(jù)芯片內(nèi)置內(nèi)存的不同容量，CC2530擁有3種不同的版本。相比第一代CC2430，CC2530提供了具備強(qiáng)大的地址識(shí)別和數(shù)據(jù)包處理引擎，能夠很好的匹配RF前端，而且封裝更小以及支持ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE。內(nèi)部分為3類模塊：CPU和相關(guān)存儲(chǔ)器模塊、時(shí)鐘和電源管理模塊、無(wú)線模塊。

2.2 ?無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)是采用相同的硬件結(jié)構(gòu)，只是在啟用的時(shí)候分配的角色不一樣，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的角色運(yùn)行相應(yīng)的功能程序。無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由無(wú)線通信模塊、傳感模塊、電源板模塊等部分構(gòu)成，如圖2所示。

1）無(wú)線通信模塊。溫室大棚中傳感節(jié)點(diǎn)間的通信距離一般在十幾米之內(nèi)就可以滿足系統(tǒng)需要[2]，而在野外山區(qū)環(huán)境里顯然需要更遠(yuǎn)的有效通信范圍來(lái)滿足實(shí)際需要。為了適應(yīng)山區(qū)環(huán)境，增加傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，以及從性能、尺寸、成本等多方面考慮，選擇功率相對(duì)較大的倒F天線。

2）傳感模塊。系列傳感模塊包括溫度傳感模塊、濕度傳感模塊、光照度傳感模塊等[3]。不同的農(nóng)業(yè)基地，由于農(nóng)產(chǎn)品不同，需要監(jiān)測(cè)不一樣的環(huán)境參數(shù)，可以通過(guò)總線擴(kuò)展用戶自己的傳感器部件，加入各種各樣的傳感器[4]。其中溫度、濕度傳感器模塊采用的是SHT11。SHT11系列為貼片型溫度、濕度傳感器，具備全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出;濕度測(cè)量范圍：0～100% RH;溫度測(cè)量范圍：-40～123.8 ℃;濕度測(cè)量精度：±3%RH;溫度測(cè)量精度：±0.4 ℃;響應(yīng)時(shí)間：8 s（tau63%）;低功耗80 μW（12位測(cè)量，1次/s）;可完全浸沒(méi)。

3）電源板。即實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)模塊與傳感模塊的連接，又實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電，可以由兩節(jié)電池供電。保留外接電源接口，可以直接由直流電源供電，也可以接上太陽(yáng)能供電模塊。太陽(yáng)能供電可以解決野外長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守的問(wèn)題，而且還節(jié)能環(huán)保。本系統(tǒng)是針對(duì)山區(qū)環(huán)境的，不像溫室大棚里的ZigBee系統(tǒng)[5]可以直接由棚內(nèi)直流電源供電。因此，本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)所配備的太陽(yáng)能電池板都相對(duì)較大，尤其是協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)的任務(wù)較多，太陽(yáng)能電池板也配備得更大。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?傳感節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的傳感節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧Z-Stack，是基于輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的協(xié)議棧。協(xié)議?？傮w上來(lái)說(shuō)，它一共做了兩件工作，一個(gè)是系統(tǒng)初始化工作，即由啟動(dòng)代碼來(lái)初始化硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)需要的各個(gè)模塊;另外一個(gè)就是開始執(zhí)行操作系統(tǒng)。

1）系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)啟動(dòng)代碼需要完成初始化硬件平臺(tái)和軟件架構(gòu)所需要的各個(gè)模塊，為操作系統(tǒng)的運(yùn)行做好準(zhǔn)備工作，包括初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，檢測(cè)芯片工作電壓是否正常，初始化內(nèi)存堆棧，初始化各個(gè)硬件模塊，初始化FLASH存儲(chǔ)、芯片MAC地址，初始化非易失變量，初始化MAC層協(xié)議，初始化應(yīng)用幀層協(xié)議，初始化操作系統(tǒng)等。

2）操作系統(tǒng)的執(zhí)行。啟動(dòng)代碼為操作系統(tǒng)的執(zhí)行做好準(zhǔn)備工作以后，就開始執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序，并將控制權(quán)完全交給操作系統(tǒng)，自己則光榮地退出舞臺(tái)。

3.2 ?協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，協(xié)調(diào)器不僅要負(fù)責(zé)建立無(wú)線傳感網(wǎng)，還要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)以及其他任務(wù)：傳輸網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)，提供關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)之間的路由信息表;存儲(chǔ)一些重要的傳感網(wǎng)基本數(shù)據(jù)信息，如節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)設(shè)備、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表等[6]。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)因?yàn)槿蝿?wù)繁重，所以相對(duì)其他節(jié)點(diǎn)，它具備更強(qiáng)大的硬件資源和穩(wěn)定可靠的供電，采用直流電供電和太陽(yáng)能供電雙通道。協(xié)調(diào)器開始建立網(wǎng)絡(luò)后，先為本網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，并將自己的網(wǎng)絡(luò)地址（短地址）設(shè)置為0，然后開始向鄰近的節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送信標(biāo)，接受其他節(jié)點(diǎn)的連接，形成樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第一級(jí)，協(xié)調(diào)器與這些設(shè)備之間形成父子關(guān)系。連接到網(wǎng)絡(luò)里的節(jié)點(diǎn)設(shè)備都分配了一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

3.3 ?終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，終端節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)的采集節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)啟動(dòng)后接入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器會(huì)為它分配一個(gè)惟一的16位網(wǎng)絡(luò)地址。然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)上配置的溫度、濕度傳感器、光照度傳感器、CO2傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到自己所屬的路由節(jié)點(diǎn)（父節(jié)點(diǎn)），路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后再通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)服務(wù)器。

在野外，傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的供電是個(gè)難題，即使采用太陽(yáng)能供電也要考慮能量的消耗問(wèn)題，因?yàn)槿绻鞖膺B續(xù)幾天沒(méi)有太陽(yáng)的話，節(jié)點(diǎn)很容易因?yàn)闆](méi)有能量而關(guān)閉。所以采用喚醒-休眠的方式，需要終端節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)喚醒節(jié)點(diǎn)，采集完成上傳數(shù)據(jù)后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次喚醒，以此來(lái)盡量提高電能的使用效果，延長(zhǎng)工作時(shí)間。終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包可以用一個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)表示，包含該節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型、網(wǎng)絡(luò)地址、父節(jié)點(diǎn)地址、采集的數(shù)據(jù)等。

3.4 ?路由節(jié)點(diǎn)程序執(zhí)行流程

ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)的功能主要是：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由。路由器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，以路由節(jié)點(diǎn)的身份與協(xié)調(diào)器建立連接，加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器會(huì)為它分配一個(gè)地址塊（包含有若干16位網(wǎng)絡(luò)地址）。路由器根據(jù)它接收到的協(xié)調(diào)器信標(biāo)的信息，配置并發(fā)送它自己的信標(biāo)，允許其他的設(shè)備與自己建立連接，成為子節(jié)點(diǎn)。這些子節(jié)點(diǎn)可能是終端節(jié)點(diǎn)，也可能是路由器，如果是路由器節(jié)點(diǎn)的話，那它們也可以有自己的子節(jié)點(diǎn)，按這個(gè)方式拓展下去就形成了多級(jí)樹簇型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)[7]。路由節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3.5 ?上層應(yīng)用管理軟件設(shè)計(jì)

上層應(yīng)用管理軟件采用三層B/S模式，方便維護(hù)和更新，應(yīng)用管理軟件提供了顯示環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)曲線圖、節(jié)點(diǎn)資源列表、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等多種功能，滿足用戶需求[8]。用戶可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)使用智能手機(jī)或者PC電腦，登錄系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[9]。系統(tǒng)對(duì)于監(jiān)測(cè)到的異常情況，會(huì)以短信、電話等方式向用戶實(shí)時(shí)報(bào)警。上層應(yīng)用管理軟件運(yùn)行界面如圖6所示。

4 ?小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)了適用于山區(qū)農(nóng)業(yè)基地的精細(xì)農(nóng)業(yè)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上采用多級(jí)樹簇型結(jié)構(gòu)，傳感節(jié)點(diǎn)的能量來(lái)源上采用太陽(yáng)能充電技術(shù)等方式，有效地解決了偏遠(yuǎn)山區(qū)無(wú)人值守的農(nóng)業(yè)基地環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)難題。用戶可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)使用智能手機(jī)或者PC電腦等方式來(lái)登錄系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)基地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)對(duì)于監(jiān)測(cè)到的異常情況，比如氣溫過(guò)低、濕度過(guò)高等問(wèn)題，會(huì)自動(dòng)以短信、電話方式向用戶實(shí)時(shí)報(bào)警。

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