基于ZigBee協(xié)議的果園環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

馮春衛(wèi)

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 楊凌 712100）

基于ZigBee協(xié)議的果園環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

馮春衛(wèi)

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 楊凌 712100）

為方便果園管理和果樹環(huán)境信息采集，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種利用ZigBee協(xié)議傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)的果園環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用支持ZigBee、低功耗的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成樹狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由前端傳感節(jié)點(diǎn)將采集的土壤溫度和濕度、果樹葉片溫度和濕度和光照強(qiáng)度信息數(shù)據(jù)發(fā)送到支持ZigBee和WLAN的協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器通過WLAN網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能傳輸監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計可行性良好，系統(tǒng)運(yùn)行效果滿足實(shí)際要求。

ZigBee；果園；環(huán)境信息；遠(yuǎn)程監(jiān)測

近幾年來，隨著我國農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和不斷完善，果樹的種植面積也在日益擴(kuò)大[1]。種植面積雖然逐漸變大，但是果品質(zhì)量提升緩慢。果品市場上低檔果品賣難和優(yōu)質(zhì)果品供不應(yīng)求的形勢已初步反應(yīng)出了果品質(zhì)量在果品銷售環(huán)節(jié)占很大影響因素。果園的環(huán)境直接影響果樹的生長狀況，影響了果園內(nèi)水果品質(zhì)和產(chǎn)量。為了提高果品質(zhì)量，應(yīng)采取措施實(shí)施監(jiān)測果園內(nèi)環(huán)境信息，以及時采取措施保證果樹時刻處于最佳生長環(huán)境。果園生態(tài)環(huán)境和果樹長勢多媒體信息的自動化監(jiān)測對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理和農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)有著重要意義。研究表明，果園土壤溫度和濕度、果樹葉片溫度和濕度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因素對果樹的健康生長、果園的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。目前，果園土壤溫濕度等環(huán)境信息保持主要依靠自然資源。果園環(huán)境信息單純依靠人工采集難度大、效率低、成本高，難以實(shí)現(xiàn)長期有效的監(jiān)測管理，因此建立果園環(huán)境信息自動監(jiān)測系統(tǒng)，及時、全面、準(zhǔn)確地獲取果園環(huán)境信息，對提高果園產(chǎn)量和果品品質(zhì)均具有重要推動作用。

在國內(nèi)已有專家對果園環(huán)境信息采集進(jìn)行研究，周仁東等基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）對果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計[2]；趙文星對果園環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)及模型進(jìn)行了研究，最終實(shí)現(xiàn)了果園環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)[3-4]；胡衛(wèi)華基于CDMA20001xEV-DO技術(shù)設(shè)計了果園環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[5]；任肖麗等利用GPRS技術(shù)對在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)展開研究[6]；楊嘉鵬運(yùn)用GPRS與ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了果園監(jiān)控系統(tǒng)[7]；安康等設(shè)計了物聯(lián)感知與GSM相融合的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[8]；端木森嘉基于Zigbee技術(shù)設(shè)計了果園監(jiān)測節(jié)點(diǎn)[9]；周立等利用Zigbee協(xié)議設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了移動式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[10]；Li S利用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[11]；本課題利用ZigBee構(gòu)建WSN網(wǎng)絡(luò)，采集節(jié)點(diǎn)與ZigBee邊緣器（ZigBee網(wǎng)關(guān)）利用ZigBee協(xié)議通信，數(shù)據(jù)管理服務(wù)器和ZigBee邊緣器采用WLAN通信，這樣的設(shè)計有助于支持WIFI的手機(jī)查詢環(huán)境信息采集傳感器狀態(tài)及方便用戶通過WIFI網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。采集的果園環(huán)境數(shù)據(jù)通過WSN可以發(fā)送到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，用戶可以登錄數(shù)據(jù)管理服務(wù)器實(shí)時監(jiān)測果園的環(huán)境信息。此系統(tǒng)可方便果園管理者多維度實(shí)時掌握果樹的生長環(huán)境信息，及時迅速地采取有效的干預(yù)措施。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee協(xié)調(diào)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)（WLAN網(wǎng)絡(luò)）、終端用戶及數(shù)據(jù)管理服務(wù)器4部分組成，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由支持ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)組成，其負(fù)責(zé)采集果園的土壤溫度和濕度、果樹葉片溫度和濕度、土壤含水量和光照強(qiáng)度等環(huán)境信息，然后將采集的信息通過自組網(wǎng)協(xié)議ZigBee發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器由支持ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)和支持WIFI的網(wǎng)絡(luò)模塊組成，其負(fù)責(zé)組建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和WLAN傳輸網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)調(diào)器將收到的環(huán)境信息通過WLAN傳輸網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器及用戶。傳輸網(wǎng)絡(luò)可以是3G/4G網(wǎng)絡(luò)或WLAN，出于節(jié)約成本的考慮，本課題選用WLAN作為傳輸網(wǎng)絡(luò)。WLAN將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理服務(wù)或用戶手機(jī)，用戶可以通過訪問數(shù)據(jù)管理服務(wù)器或用手機(jī)直接監(jiān)測果樹的生存環(huán)境。

2 ZigBee協(xié)調(diào)器及傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)

2.1.1 硬件框架

系統(tǒng)中的ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框架主要包括RF收發(fā)器、微處理器（MCU）及傳感單元3大組成部分，具體設(shè)計如圖2所示。

圖2 ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框架圖

ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)通過RF收發(fā)器接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，MCU對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將傳感單元感知并采集的壞境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和封裝，通過RF收發(fā)器發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)的MCU采用32位ARM Cortex-M3處理器，RF收發(fā)器采用CC2630射頻芯片。

2.1.2 軟件框架

ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)加電后，設(shè)備開始初始化，等待加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，加入到網(wǎng)絡(luò)后，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)人低功耗的休眠模式。一旦接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，則會進(jìn)入喚醒方式接收數(shù)據(jù)包。如果接收的是采集命令，則控制傳感器采集數(shù)據(jù)；如果接收的命令是控制命令，則完成控制操作。采集數(shù)據(jù)完成后，ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；完成控制操作后，將返回的信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。發(fā)送數(shù)據(jù)或消息給協(xié)調(diào)器后，傳感器節(jié)點(diǎn)等待協(xié)調(diào)器確認(rèn)消息，在最大等待時間內(nèi)收到確認(rèn)消息，則完成了本次服務(wù)；反之，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)或消息。完成服務(wù)后，ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入低功耗模式，等待協(xié)調(diào)器的命令，具體程序設(shè)計流程如圖3所示。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

2.2.1 硬件框架

系統(tǒng)中的ZigBee協(xié)調(diào)器硬件由ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)和WIFI模塊組成，兩部分通過串口相連接。具體設(shè)計如圖4所示。

圖3 ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計流程圖

圖4 ZigBee協(xié)調(diào)器硬件框架圖

ZigBee協(xié)調(diào)器的功能在于：

1）連接WSN與IPV4/IPV6網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)，ZigBee協(xié)調(diào)器從WLAN接口接收IPV4/IPV6網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，MCU對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，并將處理的數(shù)據(jù)包通過RF收發(fā)器發(fā)送到ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2）ZigBee協(xié)調(diào)器通過RF收發(fā)器接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過MCU處理后通過WLAN接口將數(shù)據(jù)包發(fā)送到IPV4/IPV6網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee協(xié)調(diào)器選用TI公司的CC2630和ESP8266-14串口WIFI模塊 ，CC2630自帶強(qiáng)大的ARM Cortex-M3，128KB系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB緩存靜態(tài) RAM（SRAM），封裝符合 RoHS標(biāo)準(zhǔn)4mm×4mm RSM QFN32（10個 GPIO），支持 8個電容感測按鈕，集成溫度傳感器和2.4GHz RF收發(fā)器。ESP8266-14是一款低成本W(wǎng)IFI-MCU通訊/控制模塊，內(nèi)置ESP8266 WIFI通訊IC和STM8003單片機(jī)，該模塊內(nèi)置了一個功能強(qiáng)大的STM8003的芯片，其串口與ESP8266的串口相連，用戶可以編寫STM8程序，通過AT指令控制WIFI物聯(lián)網(wǎng)功能。

2.2.2 軟件框架

ZigBee協(xié)調(diào)器通過WIFI模塊接收到上位機(jī)的控制命令，通過組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee節(jié)點(diǎn)。ZigBee節(jié)點(diǎn)接收到命令消息后開始執(zhí)行，完成后將最終的信息發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器的主要功能就是接收或發(fā)送來自Zigbee網(wǎng)絡(luò)和IPV4/IPV6網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報文。具體軟件工作流程如圖5所示。

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計流程圖

3 數(shù)據(jù)管理服務(wù)器

數(shù)據(jù)管理服務(wù)器運(yùn)行的上位機(jī)軟件采用LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）平臺開發(fā)[12-13]。LabVIEW采用功能豐富的圖形化語言編程，面向普通用戶而不是專業(yè)人員[14-15]。LabVIEW平臺可以運(yùn)行多種不同的操作系統(tǒng)平臺，應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域[12]。數(shù)據(jù)管理軟件主要功能是數(shù)據(jù)管理，具體包括數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析兩大功能。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，可將系統(tǒng)軟件劃分為數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)類型設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)庫管理。數(shù)據(jù)接收模塊通過ZigBee協(xié)調(diào)器實(shí)時監(jiān)聽數(shù)據(jù)管理服務(wù)器的IP地址和傳輸端口來等待數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的指令，收到指令后利用無線網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。數(shù)據(jù)類型設(shè)置模塊可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式設(shè)置，數(shù)據(jù)庫管理模塊是利用數(shù)據(jù)庫的儲存和查詢功能管理采集到的果園環(huán)境信息數(shù)據(jù)[12]，方便果園管理者或農(nóng)業(yè)科技人員通過數(shù)據(jù)庫查詢模塊實(shí)時了解果園環(huán)境信息，及時采取有效干預(yù)措施。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器加電之后立刻初始化，組建ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)成功后，傳感器節(jié)點(diǎn)等待上位機(jī)的指令以采集環(huán)境數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集成功后，存儲至數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，通過數(shù)據(jù)管理服務(wù)器可以執(zhí)行運(yùn)行控制、查詢和配置等命令，具體數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)流程圖

5 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 溫度傳感實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室里布置3個ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)和一個ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過有線接口路由器跟PC測試機(jī)相連，PC機(jī)上安裝Windows系統(tǒng)。

1）安裝ZigBee_Sensor_Monitor_1.2.0和ZStack軟件在Windows上。

2）在ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)安裝DS18B20 TO-92溫度傳感器，配置ZigBee協(xié)調(diào)器。

3）啟動ZigBee Sensor Monitor，可以看見傳感的溫度。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，傳感溫度的ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功，此網(wǎng)絡(luò)可以傳輸溫度數(shù)據(jù)信息。

5.2 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

在溫室大棚中布置3個傳感節(jié)點(diǎn)，3個傳感節(jié)點(diǎn)分別連接溫度傳感器、光強(qiáng)傳感器、濕度傳感器，對溫室大棚的溫度、光照、濕度進(jìn)行監(jiān)測，對采集的3種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并對溫室大棚內(nèi)不同距離的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行測試。在測試結(jié)果里隨機(jī)選取了4組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)和和ZigBee協(xié)調(diào)器之間的距離越短，數(shù)據(jù)傳輸越精確，傳輸速度越高。

5.3 系統(tǒng)監(jiān)測精度實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)正常運(yùn)行后，在2016年7月28日早上8點(diǎn)到晚上18點(diǎn)在學(xué)校溫室大棚內(nèi)監(jiān)測溫度、濕度。采用機(jī)械式溫濕度表實(shí)測大棚內(nèi)溫度、濕度，將遠(yuǎn)程采集的數(shù)據(jù)和實(shí)測的數(shù)據(jù)經(jīng)行對比分析，以驗(yàn)證系統(tǒng)監(jiān)測精度，實(shí)驗(yàn)測試對比結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 溫度對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 濕度對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對比實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)測數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程傳感數(shù)據(jù)誤差較小，系統(tǒng)監(jiān)測精度較高。

6 結(jié) 論

本課題設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee協(xié)議的果園環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)將采集的果園環(huán)境信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過訪問互聯(lián)網(wǎng)來實(shí)時監(jiān)測果園環(huán)境信息。試驗(yàn)測試表明，此系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，果園管理人員或科技人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)測果樹生長信息，為及時迅速地采取有效的干預(yù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

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Orchard environment information remote monitoring system based on ZigBee

FENG Chun-wei
（Yangling Vocational&Technical College，Yangling 712100，China）

In order to facilitate the management and information collection of Orchard，this paper designed and realized a Orchard environment information remote monitoring system with ZigBee protocol used to transmit environmental data.The designed system has adopted the wireless sensor node which supports ZigBee and boasts low-power consumption，to form tree wireless sensor network.The information data collected of soil temperature and humidity，tea leaf temperature and humidity as well as illumination intensity，through front-end sensor node，will be sent to the coordinator which supports ZigBee and WLAN,and then the coordinator will upload the data through WLAN network to data management server.Test results show that this system can transmit the environmental monitoring data and have good design feasibility,and in addition,its operation results can meet the demands of reality.

ZigBee； orchard；environment information；remote monitoring system

S126；TN926

A

1674－6236（2017）16-0112-05

2016-08-17稿件編號：201608129

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目（A2015006）

馮春衛(wèi)（1982—），男，陜西咸陽人，碩士，講師。研究方向：智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究。