基于ZigBee的東北森林病蟲害監(jiān)測技術(shù)研究

鄭文超

摘要 針對我國東北地區(qū)森林是病蟲害重災(zāi)區(qū)的現(xiàn)狀，提出一種基于ZigBee的森林病蟲害監(jiān)測研究方案，采用CC2430單片機(jī)作為核心芯片，利用LabVIEW軟件建立一個直觀的監(jiān)測程序，最終實(shí)現(xiàn)一個低復(fù)雜度、低成本、低功耗的監(jiān)測系統(tǒng)。通過對溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)的采集、分析和處理，達(dá)到森林病蟲害監(jiān)測和防治的目的。

關(guān)鍵詞 ZigBee；森林病蟲害；監(jiān)測系統(tǒng)；低功耗

中圖分類號 S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-04108-02

Abstract According to the the status of heavy disaster area of plant diseases and insect pests in Northeast China， a research scheme of forest insect pest monitoring based on ZigBee was proposed. Using CC2430 wireless microcontroller as the core chip， LabVIEW software was used to establish a visual monitoring program， the ultimate realization of a low complexity， low cost， low power monitoring system. By collecting， analyzing and processing the temperature， humidity， light and other environmental parameters， so as to achieve forest pest and disease monitoring and control purposes.

Key words ZigBee； Forest pests； Monitoring system； Low power consumption

我國東北地區(qū)屬于亞寒帶氣候，主要植被為落葉松林及針葉林，生物種類繁多，生物和環(huán)境、生物和生物之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜，特別是大興安嶺地區(qū)，森林覆蓋率達(dá)到62%，病蟲害防控一直是森林保護(hù)工作的重中之重[1]。基于ZigBee的森林病蟲害防控監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測的物理參數(shù)，可以對寄主植物病蟲害的季節(jié)、數(shù)量變化與分布范圍進(jìn)行分析，從而達(dá)到早期防治的目的，不僅可提高環(huán)境參數(shù)獲取的及時性和有效性，而且給病蟲害預(yù)測預(yù)報(bào)工作將帶來巨大方便。

1 ZigBee技術(shù)

1.1 ZigBee結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個人局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)[2]。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（Bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（Zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。

1.2 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)

由于東北落葉松林等森林區(qū)域需要覆蓋的防控監(jiān)測區(qū)域很大，因此需要由大量的ZigBee設(shè)備構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過各類微型傳感器采集諸如空氣濕度、元素含量、光照強(qiáng)度、降水量、溫度和氣壓等信息，以幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題，同時借助物理定位功能，準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置[3]。病蟲害防控監(jiān)測任務(wù)將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的監(jiān)測模式，達(dá)到大量使用各種自動化、智能化、遠(yuǎn)程控制的高科技設(shè)備的目的。

2 基于ZigBee的松毛蟲監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2.1 系統(tǒng)原理

監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理中心、通信傳輸工具和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3部分構(gòu)成，如圖1所示。數(shù)據(jù)處理中心由計(jì)算機(jī)、監(jiān)測程序及林區(qū)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)庫組成[4]。通過運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的監(jiān)視程序，操作人員可以直觀、清晰地看到每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置分布和狀態(tài)信息，利用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)行能力對每個監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理并及時存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，便于日后進(jìn)行深入分析。數(shù)據(jù)處理中心與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間使用光纖通信，解決了傳統(tǒng)信道傳輸距離短、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，同時也解決了電磁干擾以及雷擊和電壓不穩(wěn)的問題，大大提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性、安全性和保密性[5]。監(jiān)視區(qū)域內(nèi)散布著大量的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，通電后它們自動組建無線網(wǎng)絡(luò)，自動建立動態(tài)路由并定時向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理中心。

2.2 ZigBee無線傳感器的組網(wǎng)方案

基于ZigBee的森林病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是無線傳感器部分的設(shè)計(jì)。許多高度集成化的傳感器結(jié)點(diǎn)可以組成大范圍的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[6]。在不需要電源和數(shù)據(jù)線的情況下，在一定距離上布置各類微型傳感器節(jié)點(diǎn)，它們之間可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的信息互通，能夠使人們在第一時間得到覆蓋區(qū)域感知對象的各種參數(shù)信息，從而為病蟲害防控提供強(qiáng)大保證。

ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由多個簡單的星形網(wǎng)絡(luò)組合而成。在里面的星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，不論是路由器還是終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信，相互之間并不通訊，這樣使得協(xié)調(diào)器、路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備功能清晰[7]。圖2為簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在 ZigBee 簇狀網(wǎng)絡(luò)中，一個路由器出現(xiàn)故障并不會使這個路由器的子節(jié)點(diǎn)無法使用，它的子節(jié)點(diǎn)會尋找最近的路由器設(shè)備申請重新加入網(wǎng)絡(luò)，形成了新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8]。

基于ZigBee的森林病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)核心芯片是CC2430無線單片機(jī)。網(wǎng)絡(luò)路由器與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的射頻覆蓋范圍由CC2430的射頻發(fā)送接收范圍決定，直接影響無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的大小。而CC2430具有高靈敏度、超低功率、抗干擾和抗噪聲能力強(qiáng)的卓越射頻功能[10]。除了多個接口提供了可連接不同的傳感器功能外，CC2430還可以外接LED顯示設(shè)備，提供報(bào)警功能。將它作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微控制芯片，完全可以滿足監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

以Zig-Bee協(xié)議棧（Z-STACK）作為ZigBee技術(shù)的核心軟件，開發(fā)802.15.4/ZigBee技術(shù)，按照IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)完成系統(tǒng)初始化和一些其他基本調(diào)用就能夠滿足應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)需求。基于ZigBee的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和便于存儲的常駐芯片能夠保證整個系統(tǒng)的高效和緊湊。通過硬件的層次發(fā)散鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)而決定的軟件系統(tǒng)，應(yīng)該由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行程序和相對應(yīng)的工控機(jī)的運(yùn)行程序組成。這樣使得編程代碼不再繁瑣。圖4為用LabVIEW開發(fā)的基于ZigBee的森林病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)的軟件界面。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。它不僅采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序，還提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。使用LabVIEW開發(fā)平臺編寫的病蟲害監(jiān)測程序，可以更直觀地呈現(xiàn)森林監(jiān)測區(qū)域內(nèi)相關(guān)環(huán)境參數(shù)的變化狀況。在數(shù)據(jù)處理中心用SQLServer 2008建立一個林區(qū)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)庫與監(jiān)測程序相連接，提供各個時段森林監(jiān)測區(qū)域相關(guān)參數(shù)的記錄。

3 結(jié)語

將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在東北病蟲害監(jiān)測防控系統(tǒng)上，極大地提高了系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性，并且系統(tǒng)開發(fā)價格較低廉，性價比高，安裝維護(hù)簡單，容易擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。通過無線傳感系統(tǒng)，實(shí)時采集病蟲害信息，把森林環(huán)境參數(shù)（包括環(huán)境的光照強(qiáng)度溫度、濕度等）傳送給環(huán)境管理員，方便專家及時進(jìn)行診斷并反饋防治措施；同時對松毛蟲對森林造成的災(zāi)害的癥狀、防治辦法、制定專家、病原名稱和地理位置等相關(guān)信息按一定標(biāo)準(zhǔn)存入數(shù)據(jù)庫，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，能夠及時地獲得監(jiān)測現(xiàn)場的環(huán)境狀況，提高森林松毛蟲等病蟲害診斷的準(zhǔn)確率和減少植被損害。

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