基于ZigBee的土壤沙化程度監(jiān)控分析系統(tǒng)的應(yīng)用探索

孫旭杰 王佳偉 楊 濤 盧會會 姚小雪

（南京工程學(xué)院，江蘇省南京市 211167）

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，信息通訊技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等被廣泛應(yīng)用到工業(yè)及生活的各個領(lǐng)域，也推動了農(nóng)業(yè)與環(huán)保技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在環(huán)保領(lǐng)域，土地沙漠化一直是一個備受關(guān)注的問題，其中由于農(nóng)業(yè)用地的過度開墾及所處環(huán)境的季節(jié)性變化，使土壤的沙化風(fēng)險逐漸增加，然而一般農(nóng)業(yè)設(shè)備無法檢測土壤的沙化程度，且傳統(tǒng)的土壤沙化程度測量方法既復(fù)雜又成本較高。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）以其節(jié)點(diǎn)高密度、大范圍、強(qiáng)動態(tài)性的特色，可實現(xiàn)土壤沙化水平的信息收集與傳輸；ZigBee技術(shù)是一種低速、適用于短距離傳輸?shù)臒o線組網(wǎng)技術(shù)，具備低成本、低功耗、支持大量收集節(jié)點(diǎn)、支持多種收集拓?fù)?、?fù)雜度低、快速、可靠、安全等特色，能滿足動態(tài)、智能、實時監(jiān)控的要求[1]。鑒于此，筆者設(shè)計了一套基于ZigBee的土壤沙化水平監(jiān)控分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程分析，極大程度地保證了對易沙化地區(qū)土壤的及時保護(hù)?，F(xiàn)擬對該系統(tǒng)的設(shè)計、硬件、軟件進(jìn)行詳細(xì)介紹，并通過試驗應(yīng)用案例分析，論證該系統(tǒng)的實用性和合理性。

1 系統(tǒng)的設(shè)計

在本系統(tǒng)中，設(shè)計感知節(jié)點(diǎn)作用于溫度、濕度、光強(qiáng)、風(fēng)速、土壤酸堿度的數(shù)據(jù)收集與無線傳輸；組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)主要由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，將感知節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)經(jīng)由端口傳送到PC端；PC端通過監(jiān)測軟件獲取土壤的各參數(shù)數(shù)據(jù)并將結(jié)果顯示出來，用戶可遠(yuǎn)程讀取并對各參數(shù)進(jìn)行快捷有效的監(jiān)控分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件

2.1 CC2530模塊

本系統(tǒng)應(yīng)用TI公司的CC2530單片機(jī)作為主控芯片，其優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）CC2530內(nèi)容集成有2.4 GHz符合IEEE.802.15.4規(guī)范的DSSS射頻收發(fā)器，具有良好的無線接收能力和防干擾能力，且具備一個加強(qiáng)的8051控制器；（2）具備256 kB的可編程Flash和8 kB的RAM[2]；（3）芯片集成8通道12位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、128位AES加密解密安全協(xié)處理器、休眠模式定時器等[2]；（4）芯片的集成度較高、抗外界干擾能力強(qiáng)、功率消耗較低，且可以發(fā)出指令、讀取狀態(tài)、自主工作和明確無線設(shè)備事件的順序。

2.2 節(jié)點(diǎn)供電電源

電源的作用主要是為單片機(jī)、傳感器等供電，在本系統(tǒng)中單片機(jī)與傳感器的供電電壓不同，傳感器為5 V，單片機(jī)為3.3 V?，F(xiàn)選取較高供電電壓，即5 V鋰電池，但給單片機(jī)供電還需轉(zhuǎn)換電平，因此在本系統(tǒng)中還要添加一個電平轉(zhuǎn)換功能。經(jīng)研究，選擇使用的電平轉(zhuǎn)換芯片為TPS79533,輸入電壓為2.7～5.5 V,輸出電壓為3.3 V[3]。本系統(tǒng)設(shè)計的電源供電硬件的原理見圖2。

圖2 電源模塊電路

2.3 環(huán)境感知模塊

環(huán)境感知模塊主要通過CC2530獲得溫度、濕度、光強(qiáng)、風(fēng)速、土壤酸堿度等信息。通過前端的傳感器獲得相應(yīng)的信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換輸入到CC2530單片機(jī)的I/O口，從而獲得當(dāng)前的感知信息。下面以溫濕度傳感器為例，介紹CC2530獲取環(huán)境感知信息的過程，見圖3。其他傳感器節(jié)點(diǎn)原理與此相似，故不再贅述。

圖3 溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)模塊

溫濕度傳感器SHT11通過P1.0和P1.1與CC2530相連，P0.0端口作用于溫濕度傳感器的電源開關(guān)，見圖4。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件是基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)[4]。在本系統(tǒng)中，由于棧協(xié)議以操作系統(tǒng)的形式表現(xiàn)，因此所有的操作都被認(rèn)為是任務(wù)或者事件。

圖4 SHT11通信原理

協(xié)調(diào)器在經(jīng)過初始化后完成網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)建立后，協(xié)調(diào)器控制數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點(diǎn)向PC端進(jìn)行傳輸。有兩個任務(wù)需要在傳感器與節(jié)點(diǎn)交互之后完成：（1）每隔10 s向協(xié)調(diào)器發(fā)送1個信息包，PC端經(jīng)由過程統(tǒng)計單元時間段內(nèi)收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)目，感知傳感器節(jié)點(diǎn)是不是處于正常工作狀態(tài)[5]。（2）每隔1 h向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳輸1次土壤各個參數(shù)的數(shù)據(jù)。傳感器檢測到的模擬電壓信號在處理后變?yōu)楦鱾€參數(shù)的具體數(shù)據(jù)[5]，通過通信電路發(fā)給CC2530。

協(xié)調(diào)器啟動后，包括無線電通道等在內(nèi)的初始化即開始進(jìn)行，緊接著定義相關(guān)配置及節(jié)點(diǎn)，接著網(wǎng)絡(luò)便開始工作，見圖5。Z-Stack以操作系統(tǒng)的形式出現(xiàn)[5]，完成組網(wǎng)和硬件初始化工作后便可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。路由器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的開啟與作用過程基本相似，前者比后者多進(jìn)行兩項工作：（1）向后者發(fā)送信息包；（2）向后者發(fā)送土壤各個參數(shù)的數(shù)據(jù)。

圖5 節(jié)點(diǎn)軟件流程

3.2 上位機(jī)監(jiān)控

如圖6所示，通過后臺服務(wù)器，在上位機(jī)監(jiān)控軟件中可以了解網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的IEEE地址、網(wǎng)絡(luò)地址、傳感器的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。在同等情況下，可以對參數(shù)進(jìn)行自定義改變，從而更加方便地進(jìn)行土壤各參數(shù)數(shù)據(jù)的分析以及沙化程度的研究。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控流程

4 試驗應(yīng)用案例及應(yīng)用效果

4.1 基于ZigBee無線傳感器的農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[6]

該系統(tǒng)以CC2530芯片為核心，選用SHT11溫濕度傳感器、BH1750光強(qiáng)度傳感器，合理設(shè)計了傳感節(jié)點(diǎn)，并運(yùn)用IAR7.60編程軟件基于協(xié)議棧對軟件部分進(jìn)行了設(shè)計。在試驗時，室內(nèi)測試中，系統(tǒng)組網(wǎng)、通信、閥門控制全部正常；室外測試中，單點(diǎn)通信距離在無障礙物的情況下測得130 m左右為最佳通信距離、有障礙物的情況下70 m為最佳通信距離，光照強(qiáng)度的測得值偏差可控制在5%以內(nèi)，系統(tǒng)采集的溫度誤差可控制在1 ℃以內(nèi)、濕度誤差可控制在2%以內(nèi)。經(jīng)檢驗，該系統(tǒng)雖然存在一定的測量誤差，但全部誤差都在合理范圍內(nèi)，對于農(nóng)田系統(tǒng)的灌溉幾乎不會產(chǎn)生影響，故該系統(tǒng)具備在農(nóng)田中實際應(yīng)用的可行性。

4.2 基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[5]

該系統(tǒng)基于CC2430和CC2591進(jìn)行開發(fā)，選用BD-1型土壤水分傳感器對土壤進(jìn)行水分參數(shù)的采集，并選用200-PGA電磁閥進(jìn)行控制。經(jīng)過相似的節(jié)點(diǎn)連接及軟件設(shè)計后，該系統(tǒng)同樣進(jìn)行了試驗。在試驗中，測得當(dāng)節(jié)點(diǎn)高度為1.5 m時通訊質(zhì)量最高，在該高度下，節(jié)點(diǎn)相距300 m時，通訊質(zhì)量仍可滿足工程需要，且網(wǎng)絡(luò)即使在大雨天氣也能保持86%以上的數(shù)據(jù)包接受率，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性高。通過對比土壤8 cm深處和20 cm深處的水分含量，并對比降雨前后土壤濕度的數(shù)據(jù)，驗證了該系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)的可靠性。

4.3 農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

ZigBee農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)，通過在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)布置已嵌入ZigBee模塊的溫度、濕度、光照等傳感器，對棚內(nèi)的溫度、濕度、光照等進(jìn)行監(jiān)測自動化控制。由于ZigBee強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，實現(xiàn)了大面積的區(qū)域監(jiān)控，極大地降低了智能溫室大棚的建設(shè)成本和運(yùn)行成本。監(jiān)控系統(tǒng)與建立的基于作物生長周期的墑情專家系統(tǒng)有機(jī)集成，能實現(xiàn)作物生長的精細(xì)和動態(tài)監(jiān)控，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平。

以山東樂陵蔬菜種植基地為例，引進(jìn)“智慧農(nóng)業(yè)”后，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，噴灌、施肥、施藥等都可通過智能遙控的方式實現(xiàn)，并可根據(jù)不同作物的不同需肥量設(shè)定好每次的施肥量，由系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)水肥比例，輸送到作物的根莖部，不但精準(zhǔn)度高，而且大大節(jié)約了水肥資源，提高了作物產(chǎn)量。完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型升級后，該基地全年節(jié)水60%～80%、節(jié)肥35%～55%、節(jié)地5%～8%，且方便了農(nóng)業(yè)相關(guān)部門對農(nóng)產(chǎn)品安全的監(jiān)管，工作人員只需上網(wǎng)查看，就可調(diào)出經(jīng)營單位的實時畫面，實現(xiàn)了24 h監(jiān)管。

[1] 楊永超，曾剛，黃勇，等.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的窨井安全監(jiān)測系統(tǒng)[J].安全與環(huán)境工程,2015,22(5):96-101.

[2] 羅秋晨.基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計[J].機(jī)電一體化,2012,18(11):57-59.

[3] 劉鵬宇.基于室內(nèi)光能和振動能的復(fù)合式能量采集微電源系統(tǒng)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2013.

[4] 李寧.基于ZigBee的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:華北電力大學(xué),2015.

[5] 胡培金，江挺，趙燕東.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(4):230-234.

[6] 高偉民.基于ZigBee無線傳感器的農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué),2015.