基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在土壤墑情監(jiān)測中的應(yīng)用研究

鄭向歌+任平英

摘 要：土壤墑情自動監(jiān)測是提高水資源利用率和農(nóng)業(yè)質(zhì)量的重要技術(shù)?；赯igBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的匯聚與上傳，采用TCP/IP協(xié)議有線接入因特網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)有效地降低了布線難度，抗干擾能力強(qiáng)，可節(jié)約成本，提高了土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時效性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器；土壤墑情；漫灌

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.008

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)年用水量巨大，尤其是用傳統(tǒng)漫灌的方式，加劇了用水供需矛盾。高水資源利用率的節(jié)水灌溉就成為了解決缺水現(xiàn)狀的有力措施，土壤墑情信息是其重要的參考依據(jù)。土壤墑情的自動監(jiān)測是提高水資源利用率和農(nóng)業(yè)質(zhì)量的支撐技術(shù)之一。

目前，國內(nèi)外對土壤墑情監(jiān)測的研究取得了不少的成果?？傮w而言，國內(nèi)外高精度的檢測設(shè)備價(jià)格昂貴，不適合大部分農(nóng)村，尤其是較貧窮地區(qū)使用；價(jià)格低的設(shè)備一般都存在精度低、性能差等問題。我國目前的墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)大都基于有線傳輸?shù)姆绞?，這大大增加了布線、安裝、防雷防鼠、線路維修等工作的難度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是解決這些困難的有效工具。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其部署簡單、成本低、無需現(xiàn)場維護(hù)等特點(diǎn)，成為了土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。

本文基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，利用短程無線傳輸技術(shù)ZigBee進(jìn)行了傳感器數(shù)據(jù)的匯聚，采用基于TCP/IP協(xié)議的因特網(wǎng)接入技術(shù)，方便遠(yuǎn)程監(jiān)測，可以適應(yīng)土壤墑情監(jiān)測的安全要求高、空間跨度大、野外作業(yè)多等特點(diǎn)，有效地減小了布線的困難程度，抗干擾能力強(qiáng)，可節(jié)約成本，在很大程度上可提高土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時效性和穩(wěn)定性。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是指在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，以無線通信的方式形成網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的監(jiān)測對象信息系統(tǒng)采集、處理并發(fā)送給監(jiān)測者。WSN中的

傳感器采集的信息均采用無線方通信式傳輸，傳感器安裝位置靈活，基本不受地理?xiàng)l件的約束；WSN具有良好的自組織能力，能夠很快識別并適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化，還可以通過相對的固定接入點(diǎn)，基于TCP/IP協(xié)議有線接入互聯(lián)網(wǎng)，這樣既節(jié)省了成本，又可高速率地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問；WSN無需現(xiàn)場值守，大大節(jié)約了勞動力成本，提高了勞動安全性。因此，將WSN技術(shù)應(yīng)用于土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)中具有廣泛的研究與應(yīng)用前景。

ZigBee，又稱為紫蜂協(xié)議，它來源于蜜蜂傳遞花粉方位信息時會通過飛翔和抖動翅膀構(gòu)成群體通信網(wǎng)絡(luò)的仿生技術(shù)，是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)協(xié)議的無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段的特性。ZigBee技術(shù)自面世以來，在工業(yè)、商業(yè)、民生等各個方面有著廣泛的應(yīng)用。比如工商領(lǐng)域監(jiān)控器、傳感器、智能標(biāo)簽等信息的自動采集和控制，智能樓宇的保安系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、家用電器等的自動控制，醫(yī)療中的病人監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程診斷，農(nóng)業(yè)中的天氣、土壤墑情、溫度等氣候信息的采集，電腦外設(shè)的無線設(shè)備、無線遙控等。

2 實(shí)施方案

2.1 系統(tǒng)組成

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端傳感器節(jié)點(diǎn)3種設(shè)備。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)有且只有一個，負(fù)責(zé)信道和網(wǎng)絡(luò)ID的選擇，節(jié)點(diǎn)入、離網(wǎng)的協(xié)調(diào)等網(wǎng)絡(luò)的組建和控制，收集傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的監(jiān)測數(shù)據(jù)。路由節(jié)點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的橋梁，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)時，可完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)及管理。傳感器節(jié)點(diǎn)為終端信息采集設(shè)備，根據(jù)需要，網(wǎng)絡(luò)中可以有多個負(fù)責(zé)土壤墑情信息的采集，并向路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上傳。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有星型、樹型和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)由1個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個傳感器節(jié)點(diǎn)組成，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為中心匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與每一個傳感器節(jié)點(diǎn)通訊，傳感器節(jié)點(diǎn)之間則不能直接傳輸數(shù)據(jù)。樹型網(wǎng)絡(luò)相對星型網(wǎng)絡(luò)增加了路由器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器不僅能與終端節(jié)點(diǎn)連接通訊，也可以與一系列路由器節(jié)點(diǎn)相連，路由器子節(jié)點(diǎn)又可與其他路由器、終端節(jié)點(diǎn)連接，這樣的網(wǎng)絡(luò)可以形成多層級繼承結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的信息只能向上傳給其上級路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，形成唯一方向的信息通道。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上與樹形類似，都有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個路由器、終端節(jié)點(diǎn)，但網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點(diǎn)之間可以對等通訊，信息路由規(guī)則更加靈活。

綜上所述，在土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)中，信息需要從終端節(jié)點(diǎn)上傳給監(jiān)測中心，所以，可看作單向傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在星型、樹型和網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)功能最靈活，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)稍顯復(fù)雜，樹狀結(jié)構(gòu)兼具了星型的簡便和網(wǎng)狀的靈活，可以滿足土壤墑情監(jiān)測的需求，所以，本文中的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)時，要滿足土壤墑情監(jiān)測的需求，充分考慮惡劣的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。經(jīng)綜合比較，北京無線聯(lián)科技的TS系列土壤墑情傳感器體積小、安裝維護(hù)簡單、密封性好、測量精度高、響應(yīng)速度快，本文用它作為信息采集單元，采用Silicon公司的C8051F350 MCU作為傳感器節(jié)點(diǎn)微控制器，期望設(shè)計(jì)出低功耗、低成本、高效、可靠、便捷、可擴(kuò)展的傳感器節(jié)點(diǎn)。

目前，在主流的ZigBee芯片中，飛思卡爾公司的MC13213芯片設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器模塊具有明顯的競爭優(yōu)勢。此ZigBee功耗低、存儲靈活、高度集成，帶有嵌入式閃存、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、低壓中斷和鍵盤中斷等功能，還有集成收發(fā)/接收開關(guān)，組網(wǎng)方便，可支持專用點(diǎn)到點(diǎn)、星形、MUSH網(wǎng)絡(luò)等。

在電源方面，因本系統(tǒng)為野外使用，電網(wǎng)供電成本高，電池供電則需經(jīng)常更換電池，所以，結(jié)合系統(tǒng)使用環(huán)境以及各種供電方式的優(yōu)缺點(diǎn)，使用太陽能蓄電池供電方式能解決上述供電方式中的問題。

在實(shí)際應(yīng)用時，網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)的接入點(diǎn)通常固定，可采用基于TCP/IP協(xié)議的有線接入方式，這樣既節(jié)省成本，又可以實(shí)現(xiàn)高速率遠(yuǎn)程訪問。本文采用了 WIZnet公司的W5100網(wǎng)絡(luò)接口芯片搭建因特網(wǎng)接入模塊。

3 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，選取了一塊農(nóng)田作為實(shí)驗(yàn)用地，在農(nóng)田區(qū)域內(nèi)隨機(jī)放置了3個傳感器節(jié)點(diǎn)，其中一個作為路由節(jié)點(diǎn)，另兩個作為傳感器節(jié)點(diǎn)。周期性地采集當(dāng)前農(nóng)田區(qū)域中的土壤墑情信息。實(shí)驗(yàn)開始前的準(zhǔn)備工作包括有下載程序、ZigBee 模塊設(shè)置、系統(tǒng)上電。設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)每隔10 min采集一次土壤墑情信息，其中，一個較遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過路由器，另一個直接將采集到的數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)器，從而傳給上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集土壤墑情信息并上傳，具有一定的可靠性和穩(wěn)定性，能用于土壤墑情監(jiān)測，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化提供了可靠的數(shù)據(jù)來源。

4 展望

本項(xiàng)目基于我國國情，設(shè)計(jì)了用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，具有易實(shí)現(xiàn)、成本低等特點(diǎn)，并采用TCP/IP協(xié)議接入因特網(wǎng)，方便實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)具有一定的可靠性和穩(wěn)定性，可以用于實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

總體而言，本系統(tǒng)還有可提升的空間，比如可以改善系統(tǒng)的存儲方式，添加USB存儲設(shè)備，這樣可以方便大批量數(shù)據(jù)的存儲和擴(kuò)展，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)存儲方式的不足；在數(shù)據(jù)采集方面，可以根據(jù)設(shè)計(jì)環(huán)境設(shè)計(jì)合適的修正算法，從而對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度；在上位機(jī)方面，可以利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，便于二次組態(tài)開發(fā)與實(shí)時監(jiān)控；本系統(tǒng)用于土壤墑情監(jiān)測時，可根據(jù)不同的需要對系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)修改，提升系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性。

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作者簡介：鄭向歌（1988—），女，河南許昌人，2010年畢業(yè)于鄭州大學(xué)自動化專業(yè)，學(xué)士學(xué)位；2013年畢業(yè)于鄭州大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，碩士學(xué)位；現(xiàn)任河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院機(jī)電與信息工程系教師。

〔編輯：張思楠〕