基于ZigBee的智能監測系統的研究

摘 要：現階段我國農業正處在轉型升級、更加智能化的關鍵時期。大力發展設施農業，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。本系統首先根據農田監測需求，本系統設計了基于ZigBee的無線傳感器網絡監測系統，終端采用CC2530無線傳感器節點，加上測量土壤溫濕度的模塊測，通過ZigBee協議將信息傳送至整個網絡的匯聚節點，經過串口與ARM9開發板進行通信，嵌入式控制器運用嵌入式Linux進行監測系統的應用開發，進而實現對農田土壤信息的監測。

關鍵詞：ZigBee；無線傳感器；網絡嵌入式

1 背景與設計方案

1.1 背景和意義

我國是農業大國，截止2016年全國耕地面積繼續持續在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，節約水資源同樣是重中之重。影響農田作物生長的環境因素主要是土壤的溫度和濕度以及二氧化碳的濃度，對這些參數進行監測，及時做出相應的措施對于農作物生長至關重要[1]。可見農田耕種和農田環境監測的重要性。農田監測等設施農業在國外的發達國家已經十分普遍，我國也正將設施農工業的步伐加強加大。所以農田監測是農業智能化的必經之路。

1.2 系統總體設計方案

農田監測主要是為了提供有利于農作物生長的土壤環境，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，從而密切監測土壤環境。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，并且節約了勞動力，更節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、功耗小并且節約成本、可靠性高的雙向無線通信技術。傳輸距離10-100m，組網方式靈活、擴展性強，通信非常可靠，主要應用于農業及工業監控、智能家居、傳感器網絡等領域[2]。

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

3 系統硬件設計

本系統是基于ZigBee的農田智能監測系統，主要監測土壤的溫濕度，所以本系統包含ZigBee的溫濕度監測路由協調器節點、終端節點和傳感器模塊組成。本系統中只設計了終端節點和協調器節點，無路由器節點，所以終端節點還需將數據轉發到其他節點。

3.1 協調器硬件設計

協調器節點采用CC2530芯片，CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU[4]，系統內可編程閃存，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傳感器節點的休眠/喚醒調度，使其低功耗運行，節約能耗。

3.2 終端節點設計

終端節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 系統軟件設計

軟件的實驗包括協調器和終端兩個部分。其中協調器節點是整個ZigBee網絡的控制中心，負責網絡的組件和信息路由、鏈路協議的管理。終端節點主要負責收集信息、并進行處理、發送等。它還兼有路由的功能，將采集的數據轉發出去。同時為了節約節點能耗，當終端節點處于不收發數據狀態時，一般處于休眠狀態。

首先進行網絡的初始化，之后傳感器節點會以自組織的方式構成網絡，節點對網絡進行監聽和等待，如果收到網絡請求就為子節點分配地址，如果沒收到就繼續監聽。節點分配地址后，接受數據并發動到相應的PC機。其流程圖如圖1所示。

5 結束語

本系統采用CC2530模塊和ZigBee協議實現的一種新型無線傳感器監測系統，實現了農田土壤的溫度、濕度，設計能滿足基本的農田監測需要。能夠為農田工作者提供清晰的土壤狀態信息，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的遠程田間監控系統設計與研究[D].山東農業大學，2016.

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

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

[4]孫玉文.基于無線傳感器網絡的農田環境監測系統研究與實現[D].

南京農業大學，2013.

[5]代媛.基于ZigBee無線傳感器網絡的農田信息監測研究[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：無線傳感器網絡。