基于ZigBee的無線傳感器網絡在土壤墑情監測中的應用研究

鄭向歌+任平英

摘 要：土壤墑情自動監測是提高水資源利用率和農業質量的重要技術。基于ZigBee無線傳感器網絡的土壤墑情監測系統利用ZigBee技術進行傳感器數據的匯聚與上傳，采用TCP/IP協議有線接入因特網，可實現遠程監測。經實驗驗證，系統有效地降低了布線難度，抗干擾能力強，可節約成本，提高了土壤墑情監測數據的準確性、時效性和穩定性。

關鍵詞：ZigBee；無線傳感器；土壤墑情；漫灌

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.008

中國是一個農業大國，農業年用水量巨大，尤其是用傳統漫灌的方式，加劇了用水供需矛盾。高水資源利用率的節水灌溉就成為了解決缺水現狀的有力措施，土壤墑情信息是其重要的參考依據。土壤墑情的自動監測是提高水資源利用率和農業質量的支撐技術之一。

目前，國內外對土壤墑情監測的研究取得了不少的成果。總體而言，國內外高精度的檢測設備價格昂貴，不適合大部分農村，尤其是較貧窮地區使用；價格低的設備一般都存在精度低、性能差等問題。我國目前的墑情自動監測系統大都基于有線傳輸的方式，這大大增加了布線、安裝、防雷防鼠、線路維修等工作的難度。無線傳感器網絡是解決這些困難的有效工具。無線傳感器網絡因其部署簡單、成本低、無需現場維護等特點，成為了土壤墑情監測系統的研究熱點。

本文基于ZigBee無線傳感器網絡的土壤墑情監測系統，利用短程無線傳輸技術ZigBee進行了傳感器數據的匯聚，采用基于TCP/IP協議的因特網接入技術，方便遠程監測，可以適應土壤墑情監測的安全要求高、空間跨度大、野外作業多等特點，有效地減小了布線的困難程度，抗干擾能力強，可節約成本，在很大程度上可提高土壤墑情監測數據的準確性、時效性和穩定性。

1 ZigBee無線傳感器網絡

無線傳感器網絡（WSN）是指在監測區域內部署大量的微型傳感器節點，以無線通信的方式形成網絡，將網絡覆蓋區域中的監測對象信息系統采集、處理并發送給監測者。WSN中的

傳感器采集的信息均采用無線方通信式傳輸，傳感器安裝位置靈活，基本不受地理條件的約束；WSN具有良好的自組織能力，能夠很快識別并適應網絡環境的變化，還可以通過相對的固定接入點，基于TCP/IP協議有線接入互聯網，這樣既節省了成本，又可高速率地實現遠程訪問；WSN無需現場值守，大大節約了勞動力成本，提高了勞動安全性。因此，將WSN技術應用于土壤墑情監測系統中具有廣泛的研究與應用前景。

ZigBee，又稱為紫蜂協議，它來源于蜜蜂傳遞花粉方位信息時會通過飛翔和抖動翅膀構成群體通信網絡的仿生技術，是基于IEEE 802.15.4標準局域網協議的無線組網通訊技術，具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全、免執照頻段的特性。ZigBee技術自面世以來，在工業、商業、民生等各個方面有著廣泛的應用。比如工商領域監控器、傳感器、智能標簽等信息的自動采集和控制，智能樓宇的保安系統、門禁系統、家用電器等的自動控制，醫療中的病人監護、遠程診斷，農業中的天氣、土壤墑情、溫度等氣候信息的采集，電腦外設的無線設備、無線遙控等。

2 實施方案

2.1 系統組成

ZigBee無線傳感器網絡中存在協調器節點、路由器節點和終端傳感器節點3種設備。協調器節點有且只有一個，負責信道和網絡ID的選擇，節點入、離網的協調等網絡的組建和控制，收集傳感器節點發來的監測數據。路由節點是傳感器節點與協調器節點之間的橋梁，當傳感器節點與匯聚節點相距較遠時，可完成數據的轉發及管理。傳感器節點為終端信息采集設備，根據需要，網絡中可以有多個負責土壤墑情信息的采集，并向路由節點、協調器節點上傳。

2.2 網絡拓撲結構

ZigBee無線傳感器網絡有星型、樹型和網狀三種網絡拓撲結構。星型網絡由1個協調器節點和多個傳感器節點組成，協調器節點為中心匯聚節點，負責與每一個傳感器節點通訊，傳感器節點之間則不能直接傳輸數據。樹型網絡相對星型網絡增加了路由器節點，協調器不僅能與終端節點連接通訊，也可以與一系列路由器節點相連，路由器子節點又可與其他路由器、終端節點連接，這樣的網絡可以形成多層級繼承結構。網絡中的信息只能向上傳給其上級路由節點或協調器節點，形成唯一方向的信息通道。網狀網絡在結構上與樹形類似，都有協調器節點和多個路由器、終端節點，但網狀網絡每個節點之間可以對等通訊，信息路由規則更加靈活。

綜上所述，在土壤墑情監測系統中，信息需要從終端節點上傳給監測中心，所以，可看作單向傳輸的網絡結構。在星型、樹型和網狀3種網絡結構中，網狀結構功能最靈活，網絡設計稍顯復雜，樹狀結構兼具了星型的簡便和網狀的靈活，可以滿足土壤墑情監測的需求，所以，本文中的ZigBee無線傳感器網絡采用樹狀拓撲結構。

2.3 系統設計

在設計系統中的傳感器節點時，要滿足土壤墑情監測的需求，充分考慮惡劣的實際應用環境。經綜合比較，北京無線聯科技的TS系列土壤墑情傳感器體積小、安裝維護簡單、密封性好、測量精度高、響應速度快，本文用它作為信息采集單元，采用Silicon公司的C8051F350 MCU作為傳感器節點微控制器，期望設計出低功耗、低成本、高效、可靠、便捷、可擴展的傳感器節點。

目前，在主流的ZigBee芯片中，飛思卡爾公司的MC13213芯片設計協調器模塊具有明顯的競爭優勢。此ZigBee功耗低、存儲靈活、高度集成，帶有嵌入式閃存、10位模數轉換器、低壓中斷和鍵盤中斷等功能，還有集成收發/接收開關，組網方便，可支持專用點到點、星形、MUSH網絡等。

在電源方面，因本系統為野外使用，電網供電成本高，電池供電則需經常更換電池，所以，結合系統使用環境以及各種供電方式的優缺點，使用太陽能蓄電池供電方式能解決上述供電方式中的問題。

在實際應用時，網絡與上位機的接入點通常固定，可采用基于TCP/IP協議的有線接入方式，這樣既節省成本，又可以實現高速率遠程訪問。本文采用了 WIZnet公司的W5100網絡接口芯片搭建因特網接入模塊。

3 系統測試

為了驗證本系統的穩定性和可靠性，選取了一塊農田作為實驗用地，在農田區域內隨機放置了3個傳感器節點，其中一個作為路由節點，另兩個作為傳感器節點。周期性地采集當前農田區域中的土壤墑情信息。實驗開始前的準備工作包括有下載程序、ZigBee 模塊設置、系統上電。設置傳感器節點每隔10 min采集一次土壤墑情信息，其中，一個較遠的傳感器節點通過路由器，另一個直接將采集到的數據上傳給協調器，從而傳給上位機。實驗結果表明，此系統能夠實時采集土壤墑情信息并上傳，具有一定的可靠性和穩定性，能用于土壤墑情監測，為實現農業自動化提供了可靠的數據來源。

4 展望

本項目基于我國國情，設計了用于農業生產的ZigBee無線傳感器網絡土壤墑情監測系統，具有易實現、成本低等特點，并采用TCP/IP協議接入因特網，方便實現了遠程監控。經實驗驗證，本系統具有一定的可靠性和穩定性，可以用于實際農業生產。

總體而言，本系統還有可提升的空間，比如可以改善系統的存儲方式，添加USB存儲設備，這樣可以方便大批量數據的存儲和擴展，有效彌補了傳統存儲方式的不足；在數據采集方面，可以根據設計環境設計合適的修正算法，從而對系統數據進行修正，提高系統的準確度；在上位機方面，可以利用組態軟件設計監控界面，便于二次組態開發與實時監控；本系統用于土壤墑情監測時，可根據不同的需要對系統進行適當修改，提升系統的通用性和擴展性。

參考文獻

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作者簡介：鄭向歌（1988—），女，河南許昌人，2010年畢業于鄭州大學自動化專業，學士學位；2013年畢業于鄭州大學控制理論與控制工程專業，碩士學位；現任河南水利與環境職業學院機電與信息工程系教師。

〔編輯：張思楠〕