基于ZigBee和能量感知的田域環境監測系統設計

侯 瑞， 黃亦翔， 張 凱， 呂 煬， 貢 亮

(1. 南京信息工程大學 信息與控制學院， 南京 210044;2. 上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240)

基于ZigBee和能量感知的田域環境監測系統設計

侯 瑞1， 黃亦翔2， 張 凱1， 呂 煬1， 貢 亮2

(1. 南京信息工程大學 信息與控制學院， 南京 210044;2. 上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240)

針對田域環境面積大，有線組網方式成本高，布線困難等問題，提出了一種以ZigBee無線傳感網絡技術為核心的田域環境監測系統，并給出了節點能量優化方案。該系統包括信息采集部分和數據接收部分。信息采集部分由田域環境里布置的終端節點、路由器節點和協調器節點組成，終端節點和路由器節點負責采集空氣溫濕度，土壤電導率等參數，協調器節點負責匯聚信息。數據接收部分由網關服務器與手機、電腦組成。重點闡述了數據采集部分每層節點的硬件與軟件設計，節點能量感知應用還有監測軟件開發。試驗結果表明:使用了能量感知方法和能效優化方案的網絡，生存期最長，傳送了更多的數據。系統的設計開發可為精細農業的發展提供數據支持。

田域環境； ZigBee； 能量感知； 能效優化

0 引 言

農田是不可增長的自然資源，如何在有限的農田資源基礎上，借助先進的科學技術手段提高農田生產效率、經濟效益和環境效益已成為我國必須解決的重大課題[1-3]。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)由低功耗體積小的網絡節點通過自組網的方式建立通信連接，它可以應用在很多場合，例如：文獻[4]中在農業領域應用WSN預防森林火災；文獻[5]中在地鐵環境里建立WSN監測地鐵實時環境；文獻[6]中把WSN用于實驗室安全預警。

目前基于ZigBee WSN在精準農業上應用研究已有很多，但是對于在大規模農田種植領域中的傳感器網絡路由協議，節能策略卻缺少深入研究[7-9]。本文提出的系統基于能量感知和ZigBee無線通信技術，考慮到了節點能量管理和延長網絡生存期的問題，提出了能量優化方案，可實現對田域環境信息的遠程監測，并且提高了網絡的使用壽命。

1 系統總體結構

田域環境WSN系統主要由信息采集端和數據接收端兩部分組成。其中信息采集端包括WSN中的終端節點、路由器節點和協調器節點。終端節點使用空氣溫濕度傳感器、土壤水分傳感器等采集數據再利用ZigBee近距離無線通信將數據發送至路由器節點。路由器節點不僅負責下級數據的轉發，同時也有測量環境的功能。協調器節點負責接收路由器節點傳送的數據再利用GPRS模塊將數據發送至網關服務器。所有節點由鋰電池進行供電，太陽能電池板進行充電。數據接收端由網關服務器和手機、PAD和電腦組成。其中網關服務器用來存儲協調器節點發送的環境信息，手機、筆記本移動端可以查看田域環境信息。整個系統結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構示意圖

2 節點硬件設計

信息采集端是由ZigBee技術組成的無線局域網。本文設計的網絡可以分成3層，分別對應終端節點、路由器節點和協調器節點。由于每層網絡有自己各自的任務，故其結構和電路也會有區別。

2.1 終端節點和路由器節點結構設計

終端節點和路由器節點的處理器芯片是Silicon Labs公司的C8051F340。該芯片所需外圍電路少，有兩路串口，自帶多路10位AD轉換接口，充分滿足了設計需求[10]。ZigBee無線通信選擇鼎泰克公司基于CC2530開發的DRF1605H模塊，該模塊傳輸數據穩定，插上天線可在1 km距離內穩定使用，無線頻率在標準的2.4 GHz，具有優良的抗干擾性[11]。無線通信模塊與處理器芯片通過串口連接。節點的電源由鋰電池供電，充電管理芯片采用高輸出電流的CN3702，它具有封裝外形小、外圍元器件少、使用方便簡單等優點，可以對單節和多節鋰電池進行完整的充電管理[12]。由于芯片和傳感器的供電電壓不一，故需要DC-DC電源模塊，該模塊具有升壓和降壓兩種。終端節點和路由器節點的結構如圖2所示。

圖2 終端節點和路由器節點結構圖

2.2 協調器節點結構設計

協調器節點的結構與終端節點、路由器節點略有不同，其增加了一個GPRS模塊，省略了田域環境傳感器。GPRS通信采用芯訊通公司的SIM900A模塊，SIM900A體積小巧，工作頻率有4種，含有TTL電平接口可以與控制器芯片通過串口連接[13]。利用該模塊連接遠程服務器，將協調器上無線通信模塊接收到的數據解析完畢后發送至網關服務器。協調器節點結構如圖3所示。

圖3 協調器節點結構圖

2.3 能效優化和能量感知電路設計

本系統使用背景是田域環境，由于田域環境布線困難且不實際，故節點的能量是有限的，節約節點能量是必需的。本設計中使用繼電器模塊，在傳感器不工作時，關閉傳感器電源，僅令控制器和ZigBee模塊有電。繼電器模塊電路見圖4。繼電器的兩端接鋰電池的正極，5號腳接三極管的集電極，三極管基極連接控制器芯片的P3.6，三極管由控制器芯片控制導通閉合，當三極管處于導通狀態時，電池電壓從繼電器的3號腳引出，然后流入DC-DC模塊，為傳感器供電[14]。

圖4 能效優化電路圖

本系統中的路由器節點任務多，耗電量也是最大的，所以需要具有能量感知功能，由于控制器芯片引腳耐壓值是5 V，電池電壓遠高于5 V，故需要串聯2個電阻進行分壓，R20和R21是2個精密電阻，在繼電器模塊打開之后控制器芯片通過AD轉換可讀出當前電源剩余電量。節點能量感知電路如圖5所示。

圖5 電源能量感知電路

3 節點軟件設計

3.1 終端節點程序設計

系統終端節點的主要任務：采集各路傳感器的數據，將數據進行AD轉換，將轉換后的數據發送到路由器節點。為了降低節點能耗，延長無線傳感器網絡的使用壽命，僅當節點有收發任務時，開啟所有模塊的供電，否則只保留處理器芯片和CC2530有電。終端節點的工作主流程如圖6所示。同時終端節點應該保存路由器節點的能量信息，當某個路由器節點能量過低時，該路由器節點會對下級的節點發送能量信息，終端節點之后的數據應該發送到別的路由器節點，該過程利用中斷實現。中斷流程如圖7所示。

圖6 終端節點主流程圖圖7 終端節點中斷流程圖

3.2 路由器節點程序設計

如2.3節所述，路由器節點要承擔更多的任務，其能量消耗也是最大的，所以路由器節點應具有監測自身剩余能量的功能，當自身能量低于閾值時，發送消息至下級的節點通知其更換另一個路由器節點，當該路由節點能量重新充滿之后發送消息至下級節點，通知其繼續發送數據到該路由器節點上[15-16]。路由器節點的工作主流程如圖8所示。路由器節點的轉發數據功能通過處理器芯片的中斷程序實現，當路由器節點收到下級發送的數據后，啟動中斷程序，進入轉發數據狀態，中斷流程圖如圖9所示。

圖8 路由器節點主流程圖圖9 路由器節點中斷流程圖

3.3 協調器節點程序設計

協調器節點的主要任務：接收來自路由節點的數據信息，將數據信息進行解包，將解包后的數據通過GPRS模塊發送到網關服務器。協調器節點的工作流程圖如圖10所示。

圖10 協調器節點工作流程圖

4 監測軟件開發

數據接收端由網關服務器和監測網頁組成。協調器節點上的GPRS模塊使用TCP/IP協議與服務器通信。服務器的監聽程序接收到數據后，經過數據識別，得知發送數據的原始節點編號，將數據存儲到對應的數據庫表中。數據庫采用SQL Server關系型數據庫。用C#語言開發的窗體應用程序可以從數據庫表中讀取數據。該窗體應用程序界面如圖11所示。

基于ASP.NET平臺開發的Web應用，用戶可通過互聯網進行訪問，及時地獲取田域環境信息。該系統目前已經應用于上海交通大學農業與生物學院的溫室中。圖12為環境監測Web頁面。

圖11 數據接收程序界面圖

圖12 環境監測WEB頁面

5 試驗設計與結果

為了檢測本系統的節能效果和數據傳送是否穩定，設計了3組試驗進行對比。第1組試驗設計：對所有節點都關閉能效優化和能量感知功能，即開啟DC-DC模塊一直保持，對傳感器持續供電；第2組試驗設計：對所有節點都開啟能效優化功能，即只在田域環境傳感器需要工作時，才開啟DC-DC模塊，但仍然關閉能量感知功能，即終端節點不會更換上級路由器節點；第3組試驗設計：對所有節點都開啟能效優化和能量感知功能。3組實驗都是在沒有太陽能供電，僅對鋰電池一次供電的情況下進行的，由于材料有限，設計終端節點和路由器節點都是2個。圖13為節點實物圖。

圖13 節點實物圖

試驗結果顯示，在沒有太陽能持續供電，對鋰電池充滿電使用的情況下，第一組方案終端節點和路由器節點生存期明顯較短，生存期最長僅能支持20 h，存活最短的節點是承載更多轉發任務的路由器節點，而且當該路由器節點耗完電之后也無法轉發下級節點的數據，造成數據丟失；第2組方案由于采用了能效優化功能，生存期比第1組方案大大提高，生存期最長的節點可以支持2 d以上的連續工作，但是承擔更多轉發任務的路由器節點在耗完電之后，下級的終端節點不會改變傳送路徑，所以造成了一部分數據丟失；而第3組方案由于使用了能量感知功能，當承擔更多任務的路由器節點電量低于閾值的時候，下級節點會改變傳送路徑，平衡了路由器節點的能量消耗，減少了數據的丟失。

6 結 語

本文針對田域環境條件，完成了基于ZigBee技術的田域環境監測網絡系統的硬件設計與軟件開發，能夠實現對田域空氣溫濕度、土壤濕度等參數的實時采集。通過Web應用，用戶可以及時、便捷地了解田域環境信息，并且對無線傳感器網絡節點使用能效優化和能量感知功能。試驗結果證明了節點的生存期相比沒有使用能效優化功能的節點更長，并且保證了更多的數據傳送量。

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Design of Farmland Environment Monitoring System Based on ZigBee and Energy Aware

HOURui1,HUANGYixiang2,ZHANGKai1,LüYang1,GONGLiang2

(1. School of Information and Control, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Generally the size of farmland is large. It is high cost and poor flexibility to use wired network. Aiming at this situation, a farmland environment monitoring system by using the ZigBee wireless sensor network technology as the core and a scheme on node energy optimization are presented. This system includes two parts: the information collection and the data storage. The information collection consists of end-node, router-node and coordinator-node. Parameters such as temperature, humidity and soil electric conductivity are measured by end-node and router-node. Coordinator-node is responsible for collecting datum. The data storage consists of server and computer. The experimental result shows that the network which uses energy aware and energy efficiency method can live longer and send more data. This monitoring system may provide data support to the development of precision agriculture.

farmland environment; ZigBee; energy aware; energy efficiency

2016-09-05

國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B01)；國家青年自然科學基金項目(51305258)；上海市科委項目(1411104600)

侯 瑞(1991-)，男，江蘇南京人，碩士生，主要研究方向為無線傳感器網絡。

Tel.: 18795811061; E-mail:altitude1820@163.com

張 凱(1965-)，男，山東泰安人，教授，碩士生導師，主要從事智能交通與檢測。

Tel.：13813838622; E-mail:zkark@nuist.edu.cn

TP 274

A

1006-7167(2017)05-0057-04