基于ZigBee技術的果園無線傳感節點設計

劉潘　丁瑞

摘要 針對當前大型果園智能無線傳感設計中人為設定無線網中終端節點和路由節點的功能在節點數量多的網絡中使用和維護很不方便這一技術問題，設計、研究1款基于ZigBee技術的無線傳感節點。該方案以TI公司的CC2538為主控芯片來分別設計網絡節點的硬件電路和軟件流程。測試結果表明，該節點能自動檢測并設定節點功能，具有較好的穩定性和較高的通信效率，可以滿足果園農業信息傳輸和組網的要求。

關鍵詞 ZigBee；物聯網；節點；軟件；組網

中圖分類號 S126；TP393 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-356-03

Abstract In the design of intelligent wireless communication of the large orchard， the functions of the terminal node and routing nodes are manmade set in a network， it is quite inconvenient when there are lot of nodes in the network. The controller chip in this design is CC2538 manufactured by TI， and the hardware circuit and software based on this chip are designed respectively. The results of test indicate that the nodes can set the node function automatic， have good stability and high communication efficiency. Therefore， the design can satisfy the need of information transmission and the networking of the orchard.

Key words ZigBee； Internet of Things； Node； Software； Network

隨著無線通信網絡的出現，傳統的有線信息傳輸方式逐漸被無線通信方式所取代。目前，在智慧農業中，無線通信網絡已經被廣泛應用于溫室大棚、農田、果園等領域[1-3]。無線通信方式通過設計協調器節點、路由節點和終端節點3種節點對信息進行控制，再通過無線網絡進行信息傳輸，極大地方便了農業的發展。

當前用于農業無線傳輸節點的設計一般采用MSP430、CC2530等單片機來設計終端節點、路由節點以及使用ARM或者ARM核的STM32芯片等來設計協調器節點[4-7]。在組網時需人為設定節點為哪種節點，路由節點功能單一，只能負責信息的路由傳輸，一旦路由節點損壞，將會導致大量終端節點無法正常傳輸數據。在環境較復雜的果園中使用路由節點需額外配置終端節點來采集信息，安裝不便且成本較高。

因此，筆者提出1款基于ZigBee技術的果園無線節點設計，首先對ZigBee技術協議棧和拓撲結構進行簡單介紹，根據果園的環境選擇網狀拓撲結構，然后對設計整體系統進行分析說明，設計節點的硬件和軟件，最后經過試驗驗證該節點的性能。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee協議棧是基于基準的OSI 7層開放式系統互聯模型，并對涉及ZigBee的層進行定義。ZigBee網絡支持3種拓撲形式[8]：星型網絡拓撲（star）、樹型網絡拓撲（tree）和網型網絡拓撲 （mesh） ，如圖1所示。

ZigBee的通信網絡由3種類型的節點組成：協調器節點（ZC）、路由器節點（ZR）和終端設備節點（ZD）。在果園環境中，網狀拓撲結構是較為合適的結構。網狀拓撲結構比樹形結構更加靈活、有效，其路由節點之間可以直接通訊，使得信息通訊更加有效率，一旦1個路由節點出現問題，信息可以經由其他路由器節點對外傳輸。筆者基于網狀結構設計節點，節點包含路由功能與終端功能，既可以做路由節點，也可以做終端節點。

2 物聯網節點的硬件設計

圖2為物聯網節點的硬件架構，主要包括微控制器模塊、供電模塊、傳感器模塊。

2.1 微控制器模塊

微控制器模塊是用CC2538芯片設計，該芯片是TI公司最新推出的，其支持ZigBee無線通信，以ARM CortexM3為核心。

CC2538芯片自帶具備高達512 kb的可擴展閃存存儲器和32 kb的片載 RAM，能夠處理復雜的網絡堆棧，滿足果園中信息采集、信息傳輸及信息存儲的需求，能支持上百個節點的網狀網絡。電源電壓寬泛，為2.0～3.6 V，在睡眠模式下，該芯片的工作電流最高僅為1.3 μA，功耗極低，能夠滿足ZigBee組網后的工作需求。32個通用輸入輸出口的設計足夠滿足外部傳感部件的接入，可擴展性強。

針對果園的露天環境，射頻設計采用了TI公司提供的2.4 GHz 的片上天線，采用倒F天線設計，實現節點發送采集的信息和路由傳輸其他節點信息的功能。其介電常數為4.25，特征阻抗為50 Ω，厚度為0.6 mm，該設計數據傳輸狀況良好。與Chip天線、Whip天線設計相比，PCB天線成本低、體積小，方便節點的安裝使用。

2.2 傳感器模塊 SHT20可以兼備溫度和濕度的信息與采集，功耗1.5 μW，相對濕度范圍 0～100%，溫度范圍 -40～125 ℃。與處理器的通信電路如圖 3 所示。使用1個 10 kΩ的上拉電阻來將信號提拉至高電平。該設計中CC2538的引腳PB0連接SCK， PB1連接DATA。

光敏電阻的電阻值可以隨外界光照強弱變化而變化，無光時為高阻值，當有光時阻值迅速變小。圖4為光敏電阻與CC2538芯片的連接，有光時，阻值變小，輸出電壓也變小，使得PB3處于低電平。

2.3 供電模塊

在果園中全部節點集中使用有線供電較困難，針對這一問題，該供電模塊采用了紐扣電池和直流電源接口2種供電方式。電壓有紐扣電池和直流充電2種方式，轉換電路使用LM1117芯片設計，電源提供的5 V電壓經過電壓轉換電路轉換成3.3 V。

3 節點的軟件設計

軟件設計分為3個部分：入網自檢軟件設計、終端節點軟件設計和路由節點軟件設計。

3.1 入網自檢軟件設計

圖5為節點的入網過程。程序開始運行后先要對節點進行初始化。隨后，網絡監測模塊自動監測信號范圍內是否有網絡信號，若未檢測到則重新監測，若監測到網絡信號則自動加入ZigBee 網絡。入網成功后，分配網絡地址模塊為節點申請1個獨一無二的網絡地址。

3.2 終端節點軟件設計

終端節點的軟件流程如圖6所示。節點入網成功之后節點功能判斷模塊根據信息首先判斷節點為終端節點，進入低功耗模式。當內部產生定時中斷時信息接收模塊判斷是否接收到信號，如果檢測不到協調器節點的命令信息，節點進入休眠模式；如果檢測到協調器節點的命令信息信息采集模塊執行信息采集功能，信息發送模塊將數據打包并發送出去。之后，終端節點繼續進入休眠。終端節點是通過輪詢的方式等待中斷，檢測信息并執行任務，執行完任務后節點進入休眠狀態。

3.3 路由節點軟件設計 路由節點的軟件流程如圖7所示。

路由節點同時具備采集信息和路由傳輸的功能。節點入網成功后，節點功能檢測模塊判定節點為路由節點，節點始終處于工作狀態。沒有檢測到中斷，節點執行信息路由功能，信息路由接收模塊負責信息的接收。存儲模塊會對信息進行檢測和存儲，如果之前發送過此信息則不再發送，如果沒有發送過則存儲該信息，之后，信息發送模塊發送該信息。信息發送成功后，回到信息路由接收狀態。檢測到中斷，則執行終端節點信息采集和發送的功能。

4 系統測試

在硬件設計和軟件設計的基礎上進行數據傳輸試驗，對節點進行點對點測試和組網測試，并得出試驗數據。

4.1 功能自判定測試

在mesh拓撲結構中節點入網后會自動選擇距離最近的節點作為父節點。功能節點模塊會根據是否檢測到下游節點信息來判斷節點功能。考慮到有節點損壞時會影響組網，所以終端節點每次上電都會執行該過程。試驗結構如圖8所示。

試驗中，節點間距40 m，在果園中無遮擋測試，路由節點和1號節點放在同一位置。首先是用1號終端節點與協調器節點組網通信，成功后1號終端節點關閉電源；然后對協調器節點、路由節點和2號終端節點組網通信，如圖9所示；關閉路由節點，開啟1號終端節點，發現串口助手依舊能接收到2號終端節點的消息，如圖10所示，再關閉1號終端節點后，無法接收到2號終端節點消息。由此證明節點可以自動設定功能。

4.2 組網測試

協調器節點組建無線網絡，各個節點加入網絡。上位機通過串口發送信息到協調器節點，協調器節點通過ZigBee無線網將信息經路由節點發送到終端節點，各終端節點接收到協調器節點信息后，將監測信息通過多級的中間路由節點傳遞給協調器節點，再由協調器節點將信息通過串口模塊傳輸給上位機。圖11是在不同跳數和不同傳輸時間間隔的數據丟包率情況。

當跳數相同時，丟包率隨著發送時間間隔的增加而變小；當發送時間間隔相同時，隨著跳數的增加，丟包率變大。信號在發送時間間隔很短時，會產生相互之間的干擾，影響傳輸準確率；而隨著跳數的增加，信號在多個節點之間傳輸時，只要任何1個節點丟失數據，都會導致網絡整體的丟包率上升。當發送時間間隔達到20 s以上，在系統具備重發機制條件下，該系統可以滿足用戶要求。

5 結語

針對果園環境的無線傳感網絡設計的這款基于ZigBee技術的節點能自動設置為路由節點或終端節點；當路由節點損壞時，終端節點信息可以通過其他路由節點進行信息傳輸。通過對節點功能自判斷和組網測試，結果表明該節點設計能滿足果園地區的信息采集要求，其具有一定的使用價值。

參考文獻

[1] 向陽，曾超塵.基于GPRS網絡的育苗溫室遠程監控系統研究[J].農機化研究，2015（10）：224-227.

[2] 呂小征，馮岷生. 基于ZigBee的溫室大棚環境參數監測系統設計[J].電子科技，2014，27（7）：162-164.

[3] 王輔文，張升超.基于ZigBee技術的葡萄園無線檢測節點的研究與設計[J].計算機與數字工程，2014（3）：535-538.

[4] 陶冶.基于 ZigBee 的森林火災預警系統的設計與實現[J].計算機應用，2011，31（2）：209-211.

[5] CHALLOO R，OLADEINDE A，YILMAZER N，et al.An overview and assessment of wireless technologies and coexistence of ZigBee， Bluetooth and Wi-Fi devices[J].Procedia Computer Science，2012，12：386-391.

[6] 胡 玫，王永喜. 基于ZigBee和GPRS的無線測控系統[J]. 蘭州工業高等專科學校學報，2012（19）：10-12.

[7] PARK S，CHIO M，KANG B，et al.Design and implementation of smart energy management system for reducing power consumption using ZigBee wireless communication module[J]. Procedia Computer Science，2013，19：662-668 .

[8] 杜曉通.無線傳感器網絡技術與工程應用[M].北京：機械工業出版社，2010.