基于ZigBee技術的連棟溫室低功耗環境監測系統設計*

符凌峰， 趙春宇， 黃震宇， 高浩天

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

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基于ZigBee技術的連棟溫室低功耗環境監測系統設計*

符凌峰， 趙春宇， 黃震宇， 高浩天

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

針對連棟溫室環境監測系統布線困難、監測低效、部署不靈活等問題，設計了一種基于無線傳感器網絡的低功耗監測系統。以CC2530為核心構建傳感器節點，以ZigBee技術構建樹狀無線傳感器網絡覆蓋整個溫室范圍，搭配現場PC構建現場自動化監測系統，24 h監測環境變化；在傳感器節點中進行硬件和軟件的低功耗優化設計，降低建造和維護成本，添加時間同步管理和電源管理，增加系統可靠性。初步試驗表明:系統能以較低的功耗(提高96.3 %)實現數據的準確采集，符合科研和精細化生產的應用要求。

無線傳感器網絡； ZigBee； 低功耗； 連棟溫室； 環境監測

0　引　言

在農業溫室的科研工作和精細化生產中，首要的任務是實時、便捷和精準的采集現場關鍵的環境因素。但在目前國內的科研中，大部分仍采用有線的傳感器網絡進行監測，不僅存在布線困難、移動不便等缺點，也增加了科研和生產的建造及維護成本[1]。

目前，國內學者對于無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)在溫室農業生產和科研中的應用，做了大量有意義的研究。在理論方面，對WSNs在溫室群檢測和控制系統的關鍵技術進行了研究和可行性分析，且對于其數據融合和節能技術進行了分析和優化[2,3]。在應用技術方面，應用WiFi和藍牙等無線通信技術構建溫室的監控系統[4,5]，但在功耗和通訊距離上均有所限制。隨著新一代無線通訊技術ZigBee技術的不斷完善和應用，這種功耗低、魯棒性好、組網靈活的無線技術的引起研究人員的重視，并得到較為廣泛的應用[6]。

本文針對華東型連棟溫室，基于農業生產和科研的要求，提出基于ZigBee技術，搭建低功耗的溫室環境監測系統。對硬件和軟件的功耗進行分析，設計和優化，同時通過優化配置傳感供電時序，動態調整采集周期，從系統的角度對監測系統進行設計和優化，保證溫室監測系統實現長期穩定和數據的準確有效。

1　系統架構與低功耗設計分析

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗局域網協議，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率，根據組網方式可以分為星狀網絡、樹狀網絡和網狀網絡[7]。

在本系統中，應用于溫室的ZigBee無線傳感器網絡由傳感器節點，路由器節點和協調器節點組成樹狀網絡，如圖 1所示無線傳感器節點負責具體的數據采集任務，路由器節點負責數據中繼和網絡路由任務，協調器負責網絡組建，網絡管理以及與中控PC通信的任務，中控PC負責網絡管理，并可以將數據公布到Internet上，供遠程訪問。

圖1　系統結構圖Fig 1　System framework

傳感器節點采用CC2530芯片，最大通信距離為80 m，路由節點和協調器節點均添加CC2591 PA功率放大模塊，以增加通信距離至150 m(考慮現場阻擋)，保證溫室群范圍內網絡的完全覆蓋和較低的丟包率[8]。

本文著重討論傳感器節點的低功耗設計，主要在硬件和軟件兩方面進行優化，并增加必要的系統管理。

硬件部分主要包括核心板模塊，傳感器模塊以及底板，該部分功耗分析如下：1)核心板功耗：CC2530-EB核心板，其休眠功耗主要包括協議棧休眠功耗以及低頻晶振功耗，工作功耗主要包括協議棧工作功耗和天線功耗；2)傳感器功耗：選用低功耗的傳感器，程序控制供電時序，減少功耗；3)底板功耗：其休眠功耗來自核心板，電源轉換芯片，電源切換芯片以及傳感器的漏電流。

軟件部分包括Z-Stack協議棧與通信，傳感器數據采集，該部分功耗分析如下：1)Z-Stack系統功耗：協議棧支持定時時鐘喚醒的PM2休眠模式，軟件設計優化的首要目的是增加休眠時間，縮短協議棧工作時間；2)傳感器數據采集功耗：通過合理分配采集和供電時序縮短工作時間，降低功耗。

2　硬件低功耗設計與實現

本系統硬件采用模塊化的設計模式，各模塊首先進行獨立的設計和低功耗優化，然后組裝成完整功能的節點，各個模塊可以方便地插拔和替換，提高整體系統的互換性和可拓展性，傳感器節點硬件設計如圖2所示。

圖2　傳感器節點硬件設計圖Fig 2　Diagram of sensor node hardware design

2.1核心板

核心板由CC2530、外圍電路及天線組成，其休眠功耗主要是協議棧休眠和天線功耗。實測PM2休眠時核心板功耗為6.8 μA，協議棧輪詢事件時，功耗為8.72 mA，在發送數據和接收數據時，功耗在20 mA左右。

2.2傳感器

傳感器功耗在整體功耗中占據50 %以上的比例，需要采用功耗低或響應時間短的傳感器。綜合考慮溫室環境，檢測精度，量程和功耗等情況，所選傳感器如表1所示。

表1　傳感器選型

空氣溫濕度傳感器SHT15，采用內部校準，串行接口輸出，芯片在傳感器信號的讀取和電源損耗方面做了優化處理，功耗超低，相對濕度誤差在±2 %RH以內，在0～40 ℃范圍內，溫度精度在±0.5 ℃以內，提供高精度的溫濕度數據。

FDY(頻域反射型)土壤溫濕度傳感器MS10，采用介電常數法測量土壤的體積含水量，是符合目前國際標準的方法，直接模擬輸出，穩定性好，水分含量在0～53 %時精度為±3 %，響應時間較短。

光照強度傳感器BH1750FVI，是一款通用低功耗的光強測量傳感器，功耗低，響應速度快，在1～65 klx量程內具有1 lx的精度，能自動屏蔽50/60 Hz的光噪聲且無需任何外部器件。

以上選用傳感器均滿足低功耗要求，實測數據穩定且具有良好的線性度，采用模塊化設計，通過標準的通信接口或直接采集模擬量，方便替換和局部優化升級。

2.3底板

底板的低功耗設計主要在電源供電模塊，電源管理模塊和傳感器供電模塊。

電源供電模塊：采用低功耗的LDO HT7333，將外部3.7 V電池電壓轉換為穩定的3.3 V(3.201～3.399 V)供電電壓，保證電池的高效利用和電源的穩定供應。

電源管理模塊：ADC采集高阻值的分壓電路上的分電壓，直接獲取鋰電池的1/3分壓，上傳給PC，實時監測電池電量，防止電池過度放電損壞，保證節點正常工作。

傳感器供電管理模塊：給傳感器統一供電3.3 V，根據各個傳感器的功耗和響應時間差異，采用程序控制的分時供電模式。選用限流開關芯片TPS2067，通過GPIO口控制使能端，以指定時序給傳感器供電。TPS2067關斷電阻達50 MΩ，空載功耗電流為1.5 μA，自帶短路和高溫保護功能，有效保護電路和傳感器安全。

3　軟件低功耗設計與實現

軟件部分功能包括：Z-Stack協議棧，數據采集和傳感器驅動，設計實現基本功能的同時，主要從減少工作時間，合理配比傳感器采集供電時序2個方面降低功耗。

3.1縮短協議棧工作時間

時間同步管理：采用可定時器喚醒的PM2休眠模式，由協調器(ZC)周期發送的休眠指令給出，傳感器節點接收到命令后開啟定時休眠，休眠結束后自動開啟采樣并上傳數據，隨后進入系統輪詢，等待下一個命令。上位機控制ZC發送休眠命令的時間，可保證傳感器節點采集數據的時間基本同步，誤差在10 ms以內，即在上位機實現了對采集動作的時間同步管理，如圖 3所示。智能數據采集：根據數據變化的實際情況和理論規律，配置不同的采樣周期。以夏季為例，6:00～18:00時，環境參數變化迅速而劇烈，采樣周期設為10 min，尤其在中午11:00～15:00，容易達到高溫閾值，采樣周期設為5 min；在夜間溫度，數據變化較小，且不會達到低溫閾值，采樣周期設為30 min。這一功能直接通過時間管理機制實現，在上位機動態設置采樣周期，同步修訂節點采樣周期[9]。

圖3　傳感器節點工作與時間同步管理流程圖Fig 3　Flow chart of work and time synchrony management of sensor node

3.2傳感器數據采集與供電時序優化

結合硬件的傳感器供電管理模塊，分別通過P1_0和P1_1口實現對三種傳感器的分時供電策略。首先，響應時間短的BH1750FVI和MS10作為一組，通過P1_0控制EN1和EN2供電1.2 s；然后，響應時間最長的SHT15作為一組，通過P1_1控制EN2供電5 s，即完成全部數據采集任務，在總體工作時間不變的情況下，降低耗電功率。

4　系統低功耗測試

系統測試時間為2015年6月23日，地點為上海交通大學農業與生物學院實驗溫室。

系統的工作功耗和休眠功耗，如表2所示。

表2　模塊與節點功耗測試

現場系統工作穩定，采集數據準確。設置采樣周期為10 min，則一個周期中，傳感器節點首先休眠590 s，平均休眠電流556 μA，隨機喚醒10 s進行數據采樣和上傳，平均工作電流27.02 mA，采用2 200 mAh鋰電池，放電下限3.3 V，有效放電效率約為60 %，則該電池可連續使用1 323.9 h，無低功耗設計的傳感器節點一直處于工作狀態，只能使用48.8 h，電池使用效率提高96.3 %，滿足設計和生產的要求。

5　結　論

本文設計和實現了一種適用于連棟溫室的低功耗環境無線監測網絡，靈活布置多個傳感器節點，搭載3種傳感器對溫室環境5種關鍵參數進行監測。系統論述了網絡架構以及低功耗設計的關鍵點，綜合考慮精度要求，通過優化傳感器供電時序和智能調節采集周期，在軟件和硬件方面進行了優化設計和實現。現場實測節能效果顯著，能源使用效率提高96.3 %，適用于溫室的長期自動監測，具有比較好的實踐意義。

[1]王新坤,李紅.我國溫室的研究現狀與發展趨勢[J].排灌機械工程學報,2010(2):179-184.

[2]郭文川,程寒杰,李瑞明,等.基于無線傳感器網絡的溫室環境信息監測系統[J].農業機械學報,2010(7):181-185.

[3]周益明.基于無線傳感器網絡的溫室群監測與控制系統的關鍵技術研究與實現[D].杭州：浙江大學,2009.

[4]張瑞瑞.精準農業傳感器網絡中的節能技術研究[D].北京：中國農業大學,2015.

[5]馬增煒,馬錦儒,李亞敏.基于WIFI的智能溫室監控系統設計[J].農機化研究,2011(2):154-157，162.

[6]李莉,劉剛.基于藍牙技術的溫室環境監測系統設計[J].農業機械學報,2006(10):97-100.

[7]ZigBee alliance.ZigBee standards organization.ZigBee specification[S].[S.L]:ZigBee Alliance,2007.

[8]張京,楊啟良,戈振揚,等.溫室環境參數無線傳感器網絡監測系統構建與CC2530傳輸特性分析[J].農業工程學報,2013(7):139-147.

[9]邢偉偉,白瑞林.IEEE 1588時間同步在ZigBee低功耗中的應用[J].自動化儀表,2012(11):27-30.

趙春宇，通訊作者，E—mail：zhaocy@sjtu.edu.cn。

Design of low power consumption environment monitoring system for multi-span greenhouse based on ZigBee*

FU Ling-feng, ZHAO Chun-yu, HUANG Zhen-yu, GAO Hao-tian

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Aiming at problems in greenhouse monitoring system,such as difficult wiring,inefficient monitoring and inflexible arrangement,design a low power consumption environment monitoring system based on wireless sensor networks(WSNs).This system constructs sensor node using CC2530 as core,builds tree-like WSNs with ZigBee technology to cover all the greenhouses fields,then coordinates a local PC server to build scene auto-monitoring system to monitor environment change continuously in 24 h.In sensor node,low power consumption optimal design of software and hardware are carried out to reduce building and maintenance cost,and time synchrony management and power management are added,increase system reliability.Preliminary experiment shows that,accurate acquisition of data can be realized with lower power consumption (96 % energy reduction ratio),and meet requirement of science research and fine production.

wireless sensor networks (WSNs); ZigBee; low power consumption；multi-pan greenhouse; environment monitoring

2015—11—20

現代農業裝備與設施的研發項目(滬農科攻字(2009)第8—1號)

S 237

A

1000—9787(2016)08—0074—03

符凌峰(1989-)，男，安徽懷遠縣人，碩士研究生，研究方向為農業物聯網應用方向。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0074—03