基于ZigBee的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張瑩

【摘 要】針對目前果園環(huán)境監(jiān)測信息化水平低、人工勞動強(qiáng)度大等問題，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過分布于果園中的傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境參數(shù)，利用ZigBee和GPRS構(gòu)建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心對果樹生長環(huán)境進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，可為果樹的精準(zhǔn)培育、科學(xué)種植提供有效的數(shù)據(jù)支持，該設(shè)計(jì)具有低成本、低功耗、易擴(kuò)展、監(jiān)測范圍廣、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，能滿足果園環(huán)境監(jiān)測及信息化建設(shè)的需要。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；CC2530；果園環(huán)境監(jiān)測；網(wǎng)關(guān)

中圖分類號： TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0067-003

Design of Orchard Environment Monitoring System Based on ZigBee

ZHANG ying

（College of Mathematics and Physics，Weinan Normal University，Weinan Shaanxi 714099，China）

【Abstract】In this paper， an orchard environment monitoring system based on ZigBee wireless networking technology is designed to solve the problem of low level of informatization and low labor intensity.The system collects environmental parameters through sensor nodes distributed in orchards，Using ZigBee and GPRS to construct wireless data transmission network，dynamic monitoring of fruit tree growth environment through remote data center can provide effective data support for the cultivation of fruit trees and scientific cultivation.The design has low cost，low power consumption， easy expansion，Monitoring a wide range of real-time and other characteristics， to meet the orchard environment monitoring and information technology needs.

【Key words】ZigBee；CC2530；Orchard Environmental Monitoring；Gateway

陜西是全國果業(yè)第一大省，尤以蘋果種植最為著名，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織認(rèn)定為世界最佳蘋果優(yōu)生區(qū)，也是全球集中連片蘋果種植面積最大的區(qū)域。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016年陜西蘋果種植面積達(dá)70.4×104 hm2，產(chǎn)量1100×104 t，占全國總產(chǎn)量的1/4、世界總產(chǎn)量的1/7[1]。通過對陜西蘋果主產(chǎn)區(qū)白水、合陽、乾縣等地蘋果種植現(xiàn)狀的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)果園仍采用人工為主的粗放式管理方式，存在工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下等問題，同時(shí)，不分地力水平依靠肥料提升產(chǎn)量，導(dǎo)致環(huán)境壓力加大，果品的優(yōu)品率受到影響。實(shí)踐表明，果園的溫濕度、光照、土壤水分、氨氮含量、pH值等環(huán)境參數(shù)對果樹的生長和果實(shí)的產(chǎn)量、品質(zhì)有著重要的影響[2-3]，快速、準(zhǔn)確、有效地獲取果園環(huán)境參數(shù)是精準(zhǔn)化、智能化、現(xiàn)代化管理的關(guān)鍵之一[4]。為提高果園環(huán)境監(jiān)測的信息化水平、減小人工勞動強(qiáng)度，提出一種基于近距離無線通信技術(shù)ZigBee的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過分布于果園中的傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境參數(shù)，利用ZigBee和GPRS構(gòu)建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心對果樹生長環(huán)境進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，為科學(xué)合理種植提供數(shù)據(jù)支持。

1 總體設(shè)計(jì)方案

果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由3部分組成：數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心[5]。根據(jù)ZigBee組網(wǎng)規(guī)范，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包含一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)上連接著各種不同類型的傳感器，分布于果園中的不同監(jiān)測區(qū)域，采集果樹生長環(huán)境中的溫濕度、光照、土壤水分、氨氮含量和pH值，周期性地以無線射頻的方式將采集結(jié)果發(fā)送到協(xié)調(diào)器；網(wǎng)關(guān)接收匯聚到協(xié)調(diào)器的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀并提取出有效數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，同時(shí)，網(wǎng)關(guān)上移植了嵌入式Web服務(wù)器Boa，并通過擴(kuò)展GPRS模塊建立Internet連接，用戶使用瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程訪問。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的電路組成是一樣的[6]。設(shè)計(jì)中選用了TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片，該芯片是一款符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線射頻收發(fā)芯片，運(yùn)行Z-Stack協(xié)議棧，芯片內(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型的8051內(nèi)核、一個(gè)RF射頻收發(fā)核心、8kB的RAM和256kB的可編程FLASH，提供21個(gè)可編程I/O接口和2個(gè)UART接口，接收靈敏度-92dBm，發(fā)射功率+4.5dBm。通過組網(wǎng)測試，在無路由中繼的條件下，節(jié)點(diǎn)間有效通信距離僅為75m左右。由于果園中監(jiān)測范圍較廣，射頻信號易受果樹遮擋而衰減，為提高通信距離，在CC2530電路中增加CC2592構(gòu)成射頻前端[7]，電路如圖2所示。當(dāng)CC2592工作在RX高增益模式下時(shí)，節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率將提高到+22dBm，發(fā)射距離將增加到350m左右。本設(shè)計(jì)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中包含1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過UART接口與嵌入式網(wǎng)關(guān)相連，用于匯總、傳輸ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過I/O接口與溫濕度、光照、土壤水分及pH值等4種傳感器相連，用于采集分布區(qū)域內(nèi)的果樹生長環(huán)境參數(shù)。endprint

2.2 傳感器檢測電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用溫濕度傳感器模塊AM2301檢測環(huán)境中空氣的溫度和濕度[8]，溫度測量范圍-40℃～80℃，精度±0.5℃，濕度測量范圍0～99.5%RH，精度±3%RH，在電路連接方式上，只需將該模塊的SDA數(shù)據(jù)線與CC2530的P1.4口相連即可；光照度檢測選用數(shù)字式光照度傳感器BH1750FVI，測量范圍0～65535lux，精度±1lux，采用I2C協(xié)議與CC2530通信，設(shè)計(jì)時(shí)將該模塊的SCL、SDA引腳分別與CC2530的P1.5、P1.7口相連；土壤水分檢測選用HQTS土壤水分傳感器，測量范圍0～100%，精度±3%，采用RS485總線輸出；土壤pH值檢測選用PH-TRSJ土壤pH值傳感器，測量范圍0～14，精度可達(dá)±0.02，響應(yīng)時(shí)間<10s，采用RS485總線輸出。由于CC2530不支持RS485總線協(xié)議，使用MAX3485芯片設(shè)計(jì)了RS485總線匹配電路。

2.3 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

選用Micro2440開發(fā)板作為網(wǎng)關(guān)硬件平臺[9]，該開發(fā)板核心處理器選用基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440，運(yùn)行主頻400MHz，板載64MB的SDRAM和256MB的NAND FLASH，外部硬件資源豐富，完全可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。GPRS模塊選用SIM900A GSM/GPRS模塊，該模塊工作電壓5V，采用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集，支持語音和短信業(yè)務(wù)，可以通過撥號上網(wǎng)的方式連接到Internet。網(wǎng)關(guān)通過UART接口與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和GPRS模塊相連，通過在網(wǎng)關(guān)上移植了Sqlite輕型數(shù)據(jù)庫和嵌入式Web服務(wù)器Boa，用戶可通過遠(yuǎn)程監(jiān)測主機(jī)或手機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)軟件采用VMware虛擬機(jī)在ARM-Linux交叉編譯環(huán)境中設(shè)計(jì)完成[10]。操作系統(tǒng)選用嵌入式Linux2.6，移植u-Boot作為Bootloader系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序，根文件系統(tǒng)使用BusyBox創(chuàng)建，同時(shí)，在網(wǎng)關(guān)上移植了嵌入式Web服務(wù)器Boa和嵌入式數(shù)據(jù)庫Sqlite。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和GPRS模塊均通過UART接口與網(wǎng)關(guān)通信，在內(nèi)核中添加并配置了串口驅(qū)動程序。應(yīng)用程序主要完成傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和處理功能，當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到來自于ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸請求后，利用串口協(xié)議對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，提取出節(jié)點(diǎn)編號和傳感器數(shù)據(jù)形成新的數(shù)據(jù)幀保存到數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)，與閾值進(jìn)行比較，若有異常，通過GPRS模塊向用戶手機(jī)發(fā)送告警短信。通過為網(wǎng)關(guān)設(shè)置固定的IP地址，用戶使用瀏覽器就可以隨時(shí)隨地登錄系統(tǒng)，通過調(diào)用相應(yīng)的CGI查詢程序查看環(huán)境監(jiān)測結(jié)果。

3.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)包括協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)和終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)兩部分。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，以及數(shù)據(jù)和命令的匯總、處理、轉(zhuǎn)發(fā)等。接通電源后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將首先執(zhí)行系統(tǒng)啟動代碼以完成硬件平臺和軟件架構(gòu)的初始化，包括初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、堆棧、存儲器和其它硬件模塊，初始化MAC層、應(yīng)用層協(xié)議，啟動OSAL操作系統(tǒng)。然后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將對DEFAULT_CHANLIST中指定的信道進(jìn)行能量掃描，選擇其中一個(gè)信道并在其上形成網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識（PANID）并創(chuàng)建綁定表。此后，協(xié)調(diào)器將向廣播信標(biāo)幀，如果收到合法節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求會將該節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中，并為節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址，在收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，通過串口轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)。終端節(jié)點(diǎn)初始化過程與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相同，初始化后，終端節(jié)點(diǎn)掃描DEFAULT_CHANLIST中指定的信道，選擇網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識為ZDAPP_CONFIG_PAN_ID定義的網(wǎng)絡(luò)并申請加入，成功入網(wǎng)后，將周期性地采集傳感器數(shù)據(jù)并以無線射頻的方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，考慮到終端節(jié)點(diǎn)使用電池供電，設(shè)計(jì)中采用休眠-喚醒機(jī)制以節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗。

4 系統(tǒng)測試

4.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信可靠性測試

選擇校園中一片小樹林對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信可靠性進(jìn)行了測試。用1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，由終端節(jié)點(diǎn)周期性地向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送雙字節(jié)數(shù)據(jù)包，發(fā)送速率為10個(gè)/s，數(shù)據(jù)包量為500個(gè)，不斷調(diào)整協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)間的距離，通過TI Packet Sniffer軟件對協(xié)調(diào)器收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，得到如表1所示的測試結(jié)果。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的距離>120m后，數(shù)據(jù)丟包率明顯增高，這是由于無線射頻信號受到測試環(huán)境中樹干、樹枝等的遮擋所致，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，部署節(jié)點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的距離應(yīng)<120m。

4.2 環(huán)境參數(shù)采集功能測試

采用5個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)，其中1個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過串口連接到網(wǎng)關(guān)，其余4個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接不同的傳感器，部署在小樹林中的不同區(qū)域，采集環(huán)境中的空氣溫濕度、光照度、土壤水分和土壤pH值，從2017年5月17日上午9：00至中午12：00連續(xù)監(jiān)測3小時(shí)，通過瀏覽器登錄到監(jiān)測系統(tǒng)主界面，查詢得到如圖3所示監(jiān)測結(jié)果，結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能正常，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)束語

將傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效采集果樹生長環(huán)境中的溫度、濕度、光照、土壤含水量等參數(shù)，利用嵌入式網(wǎng)關(guān)和Web服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查詢，為果樹的精準(zhǔn)培育、科學(xué)種植提供了有效的數(shù)據(jù)支持。該設(shè)計(jì)具有低成本、低功耗、易擴(kuò)展、監(jiān)測范圍廣、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，能滿足果園環(huán)境監(jiān)測及信息化建設(shè)的需要。

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