基于ZigBee的智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘 要：現(xiàn)階段我國農業(yè)正處在轉型升級、更加智能化的關鍵時期。大力發(fā)展設施農業(yè)，對于解放勞動力，增加農作物產量和農民收入具有重要的意義。本系統(tǒng)首先根據(jù)農田監(jiān)測需求，本系統(tǒng)設計了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，終端采用CC2530無線傳感器節(jié)點，加上測量土壤溫濕度的模塊測，通過ZigBee協(xié)議將信息傳送至整個網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點，經(jīng)過串口與ARM9開發(fā)板進行通信，嵌入式控制器運用嵌入式Linux進行監(jiān)測系統(tǒng)的應用開發(fā)，進而實現(xiàn)對農田土壤信息的監(jiān)測。

關鍵詞：ZigBee；無線傳感器；網(wǎng)絡嵌入式

1 背景與設計方案

1.1 背景和意義

我國是農業(yè)大國，截止2016年全國耕地面積繼續(xù)持續(xù)在20.25億畝，全年水田、水澆地共增加235萬畝，占新增耕地面積的64.7%。同時我國還面臨著水資源缺乏的局面，節(jié)約水資源同樣是重中之重。影響農田作物生長的環(huán)境因素主要是土壤的溫度和濕度以及二氧化碳的濃度，對這些參數(shù)進行監(jiān)測，及時做出相應的措施對于農作物生長至關重要[1]?？梢娹r田耕種和農田環(huán)境監(jiān)測的重要性。農田監(jiān)測等設施農業(yè)在國外的發(fā)達國家已經(jīng)十分普遍，我國也正將設施農工業(yè)的步伐加強加大。所以農田監(jiān)測是農業(yè)智能化的必經(jīng)之路。

1.2 系統(tǒng)總體設計方案

農田監(jiān)測主要是為了提供有利于農作物生長的土壤環(huán)境，土壤的溫度、濕度、PH值等是作物生長良好的保障。在北方以耐干旱的作物為主，南方主要是水稻，而北方的冬天不適合農作物生長，我們可以通過研究作物整個生長周期所需土壤條件，從而密切監(jiān)測土壤環(huán)境。這樣不僅可以把握農機，不錯過任何一個作物生長的關鍵時期，就在很大程度上保證了作物的產量，并且節(jié)約了勞動力，更節(jié)省了各種資源如肥料和水。

2 ZigBee技術

ZigBee技術是目前一種新興的距離短、功耗小并且節(jié)約成本、可靠性高的雙向無線通信技術。傳輸距離10-100m，組網(wǎng)方式靈活、擴展性強，通信非常可靠，主要應用于農業(yè)及工業(yè)監(jiān)控、智能家居、傳感器網(wǎng)絡等領域[2]。

ZigBee傳感器節(jié)點有三種功能，這三種功能是協(xié)調器、路由功能和終端節(jié)點。每個ZigBee網(wǎng)絡中只允許有一個ZigBee協(xié)調器，負責對網(wǎng)絡進行配置并啟動所網(wǎng)絡[3]；路由器負責信息的轉發(fā)，通過它可以延展網(wǎng)絡；終端設備可連接各種溫濕度、煙霧、酸堿度等傳感器模塊，通過網(wǎng)絡和監(jiān)測設備進行通信。ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構可以是星型的、樹型的或者網(wǎng)狀型等多種拓撲結構。

3 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)是基于ZigBee的農田智能監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測土壤的溫濕度，所以本系統(tǒng)包含ZigBee的溫濕度監(jiān)測路由協(xié)調器節(jié)點、終端節(jié)點和傳感器模塊組成。本系統(tǒng)中只設計了終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點，無路由器節(jié)點，所以終端節(jié)點還需將數(shù)據(jù)轉發(fā)到其他節(jié)點。

3.1 協(xié)調器硬件設計

協(xié)調器節(jié)點采用CC2530芯片，CC2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU[4]，系統(tǒng)內可編程閃存，8-KB RAM和許多其它強大的功能。CC2530休眠模式可以通過定時器實現(xiàn)傳感器節(jié)點的休眠/喚醒調度，使其低功耗運行，節(jié)約能耗。

3.2 終端節(jié)點設計

終端節(jié)點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通訊模塊和電源模塊組成。CC2530芯片內部集成了微處理器和無線通信模塊，傳感器模塊采用SHT10[5]。該傳感器采用了CMOSens的專利技術，將溫濕度傳感器、A/D轉換器無縫結合，使傳感器具有體積小、響應速度快、接口簡單等特點。

4 系統(tǒng)軟件設計

軟件的實驗包括協(xié)調器和終端兩個部分。其中協(xié)調器節(jié)點是整個ZigBee網(wǎng)絡的控制中心，負責網(wǎng)絡的組件和信息路由、鏈路協(xié)議的管理。終端節(jié)點主要負責收集信息、并進行處理、發(fā)送等。它還兼有路由的功能，將采集的數(shù)據(jù)轉發(fā)出去。同時為了節(jié)約節(jié)點能耗，當終端節(jié)點處于不收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)時，一般處于休眠狀態(tài)。

首先進行網(wǎng)絡的初始化，之后傳感器節(jié)點會以自組織的方式構成網(wǎng)絡，節(jié)點對網(wǎng)絡進行監(jiān)聽和等待，如果收到網(wǎng)絡請求就為子節(jié)點分配地址，如果沒收到就繼續(xù)監(jiān)聽。節(jié)點分配地址后，接受數(shù)據(jù)并發(fā)動到相應的PC機。其流程圖如圖1所示。

5 結束語

本系統(tǒng)采用CC2530模塊和ZigBee協(xié)議實現(xiàn)的一種新型無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了農田土壤的溫度、濕度，設計能滿足基本的農田監(jiān)測需要。能夠為農田工作者提供清晰的土壤狀態(tài)信息，同時可以結合土壤的狀況和作物生長周期的需要采取相應的措施。在實際應用中，可以根據(jù)需要擴展二氧化碳濃度、土壤PH值能其他傳感器，為精細化農業(yè)提出一種有效方案。

參考文獻

[1]張成良.基于ZigBee的遠程田間監(jiān)控系統(tǒng)設計與研究[D].山東農業(yè)大學，2016.

[2]張慧穎.基于ZigBee和3G技術的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].江蘇農業(yè)科學，2015（10）：487-490.

[3]涂繼輝，楊彬.基于Zigbee的農田環(huán)境監(jiān)測的設計與實現(xiàn)[J].電子技術與軟件工程，2014（06）：71-72.

[4]孫玉文.基于無線傳感器網(wǎng)絡的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].

南京農業(yè)大學，2013.

[5]代媛.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的農田信息監(jiān)測研究[D].西北農林科技大學，2010.

作者簡介：張玉鑫（1989，6-），女，河北保定，碩士，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡。