基于ZigBee技術的環境監控系統設計

摘 要 本文設計了一種基于ZigBee技術的農作物生長環境監控系統，選用ZigBee片上系統CC2530完成對影響農作物生長的空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度等環境參數的實時監控，實現了系統的自動化。試驗表明：本監控系統運行穩定可靠、采集數據精度高、控制穩定準確，達到目標要求。

【關鍵詞】ZigBee 監控 無線傳感器網絡

1 系統整體設計方案

圖1所示的是農作物生長環境監控系統的整體架構示意圖。網絡終端平臺、監控平臺以及網關平臺這三部分共同組成了整套監控系統。在溫室大棚內，分布著土壤濕度從傳感器、光照傳感器、空氣溫濕度傳感器，用以實時采集棚內的各個環境參數，即系統的網絡終端平臺；ZigBee無線網絡作為信息傳遞媒介，上傳終端節點采集的參數信息到第二部分——網關平臺，也就是協調器節點，數據匯總后統一傳給監控平臺。通過上位機界面，用戶可以實時查看各個環境參數值，查看相關調控設備的工作狀態，根據實際情況對設備實現自動控制。

2 系統硬件設計

2.1 無線射頻模塊

本文監控系統為了實現ZigBee網絡無線傳輸功能，故無線射頻模塊選擇CC2530。CC2530因其低功耗的特點，故而能夠實現4種電源模式，并且這4種運行模式間的轉換耗時短暫，這是其在眾多ZigBee芯片中獨特的地方。CC2530模塊具有諸多優良性能，其融合了RF收發器，可以編寫系統閃存，運用增強型業界標準8051CPU。

2.2 電源模塊

本設計的供電系統選擇太陽能供電模式，考慮其不存在污染，沒有安全隱患，故為可再生資源。選用此種供電模式，既避免了供電端突發狀況而停電或電池電量不足帶來的不便，也免除了電纜布線的不便。

2.3 感知模塊

2.3.1 土壤溫濕度傳感器

本系統土壤溫濕度傳感器最終選擇SHT 10-P型號，該傳感器采用土壤專用溫濕度探頭，能夠完全互換，具有極高一致性。

2.3.2 光照傳感器

本系統光照度傳感器選用Arduino數字型，光強量程為1-65535lux，分辨率為1lx，工作電壓VCC為3.3V-5V。

2.3.3 空氣溫濕度傳感器

本系統選用由瑞士Sensirion公司設計推出的SHT15型號空氣溫濕度傳感器。該溫濕度傳感器性能強大、外形小巧、功耗較低、抗干擾性強的優勢。溫度精度為±0.4℃，量程為5-40℃；濕度精度為±2%RH，量程為0-90%RH。

3 系統網絡設計

3.1 Z-Stack層次分析

Z-Stack的組成方式為分層管理，本設計系統中CC2530決定了硬件與物理層和處于最底層的數據鏈路層相互關聯。這樣的結構層次為調試程序、編寫提供了便捷。Z-Stack程序的執行是通過輪詢方式來的成的，由OSAL來統一支配。

3.2 協調器程序設計

網絡的首要設備就是協調器，在組網時負責啟動整個網絡。協調器上電后進行能量檢查、硬件初始化；協議棧發送BeaCon信標，檢測信道是否繁忙。當存在其他協調器在同一信道中時，BeaCon信標則會立即做出響應。終端節點的信道需要與已有協調器信道達成一致才能加入網絡；最后終端節點獲取短地址，通過此地址協調器就能夠接收終端節點上傳的數據。協調器程序流程圖如圖2所示。

4 系統測試和分析

本監控系統在天津中德職業技術學院露天平臺上來完成模擬試驗。在25m*35m的空地上均勻選取5個試驗點呈“X”型，每個點上均放置光照度傳感器節點、空氣溫濕度傳感器節點，然后在模擬控制中心放置1個PC機和1個網關。經試驗測得，太陽能系統能夠穩定持續地為系統提供電能；監控平臺即PC機界面能夠準確及時地顯示終端節點上傳的各環境參數信息；在正確的時段內，各調控設備也能夠按需求通斷，滿足預期效果

5 結束語

本環境監控系統選用ZigBee無線傳感器網絡構成監測網絡，覆蓋整個監控區域，通過采集土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度等參數，而后上傳至網關節點，最后將數據送至監控中心，實現儲存監控結果的目的。用戶端也能夠隨時查看任意時段信息，便于農作物生長的分析指導。本系統對實現信息化農業有著重要意義，為農作物生長提供了自動化技術支持。

作者簡介

高百惠（1988-），女，黑龍江省哈爾濱市人。碩士學位。現為天津中德應用技術大學助教。研究方向為自動化控制。

作者單位

天津中德應用技術大學 天津市 300350