農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中ZigBee傳輸技術(shù)的應(yīng)用

長江大學(xué)電子信息學(xué)院 魏江東 阮寧君 李榕柏 徐 柳

早期，農(nóng)業(yè)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)采用有線組網(wǎng)的方法。雖然此方法通信時可靠性和保密性較強，但網(wǎng)絡(luò)在布線和維護過程中的線路腐蝕和損壞問題會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷，將給正常工作帶來影響。并且這種方法建設(shè)費用大，維護成本高，因而不利于農(nóng)業(yè)大范圍使用。近年，關(guān)于無線檢測系統(tǒng)采集方面研究有陸健強等的報道[1-4]，這些研究主要是以nRF905作為無線傳輸媒介，但組網(wǎng)能力有限，傳輸距離過短，不利于大范圍農(nóng)場的信息監(jiān)測。基于此，本文提出了一套基于ZigBee無線傳輸技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)[5]，采用有線通信與ZigBee自組網(wǎng)相結(jié)合的方式，融合兩者的優(yōu)點，感知并采集與農(nóng)作物生長相應(yīng)生態(tài)環(huán)境的實時信息發(fā)送給遠程服務(wù)端，實現(xiàn)范圍性廣、可靠性高的數(shù)據(jù)傳輸功能，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精細化生產(chǎn)和智能化決策的要求，增強了對農(nóng)場的監(jiān)控能力，為農(nóng)作物安全優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供保障，進而，提高農(nóng)場的生產(chǎn)效率、提升農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)以及降低了農(nóng)作物的生產(chǎn)成本。

1.ZigBee技術(shù)簡述

1.1 ZigBee概述

4igBee的命名來源于蜜蜂。蜜蜂體積小，傳送信息簡單，傳送距離短，信息不斷在節(jié)點間傳遞最終到達目的節(jié)點。這樣的傳遞機制與這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)十分相似，后用比喻的說法將這種成本低、功耗小的無線通信技術(shù)命名為ZigBee技術(shù)。

1.2 ZigBee技術(shù)特點

⑴低功耗：因為ZigBee的發(fā)射功率低，約為1mW，所以其耗能很低。且ZigBee的工作周期非常短，大部分時間處于休眠模式，不必為了維持網(wǎng)絡(luò)而一直工作。據(jù)估計，使用兩節(jié)五號電池，可供電ZigBee設(shè)備6個月至兩年的時間，這點是其他無線傳輸設(shè)備無法超越的。

⑵時延短：無論是在通訊中的時間還是從休眠模式激活的時間都非常短，典型的一般在15-30ms，所以對于時延要求很高的無線控制，ZigBee技術(shù)非常適用。

⑶網(wǎng)絡(luò)容量大：對于一個最為簡單的星型拓撲網(wǎng)絡(luò)，可容納1個主設(shè)備和25從設(shè)備，并且在一個區(qū)域范圍內(nèi)，可有100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時覆蓋，所以擁有靈活的組網(wǎng)形式，65536個節(jié)點的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，足夠組建超大距離的局域網(wǎng)。

⑷成本低：相比與其他無線通信設(shè)備，ZigBee的協(xié)議被大幅簡化，因此這就降低了對通信接口設(shè)備的要求，且ZigBee免協(xié)議專利費，所以其芯片便宜，每塊8～10元。

1.3 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)ZigBee設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的作用與功能要求，將其設(shè)備分為協(xié)調(diào)器（Co-ordinator）、路由器(Router)、終端設(shè)備(End Device)。其中，協(xié)調(diào)器的主要功能是建立和配置網(wǎng)絡(luò)，保證整個網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備之間的正常通信，一旦整個網(wǎng)絡(luò)建立完成，這個協(xié)調(diào)器的功能就像路由器節(jié)點。路由器主要起路由作用，負責(zé)維護網(wǎng)絡(luò)路徑，允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)傳輸。終端設(shè)備結(jié)構(gòu)一般較簡單，主要負責(zé)控制和監(jiān)測的作用。

由于ZigBee強大的組網(wǎng)能力，可以形成三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，分別為星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)，如圖1所示。

其中，如圖1（a）所示的星形拓撲，是最為簡單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一個協(xié)調(diào)器（Co-ordinator）以及若干個終端設(shè)備(End Device)就可實現(xiàn)。終端設(shè)備(End Device)之間的通信只能通過協(xié)調(diào)器（Coordinator）。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本低。但網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小，而且節(jié)點之間只有這一個數(shù)據(jù)路由器，所以，協(xié)調(diào)器（Co-ordinator）可能會成為整個網(wǎng)絡(luò)的阻礙，造成網(wǎng)絡(luò)堵塞。

圖1 ZigBee的拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1(b)的樹形拓撲中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含一個協(xié)調(diào)器（Co-ordinator）和若干的路由器(Router)以及終端設(shè)備(End Device)節(jié)點。此結(jié)構(gòu)保留了星形結(jié)構(gòu)的簡單性，成本較低，可以在相對經(jīng)濟的條件下擴大覆蓋范圍。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的缺陷就是通信中傳遞的信息只有唯一的路由通道，一旦任意一個路由器出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致與之關(guān)聯(lián)的路由節(jié)點分離。

如圖1(c)的網(wǎng)狀拓撲同樹形拓撲，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含一個協(xié)調(diào)器（Co-ordinator）和若干的路由器(Router)以及終端設(shè)備(End Device)節(jié)點。這種拓撲結(jié)構(gòu)使得信息的通信效率更高，且當(dāng)一個路由出現(xiàn)故障時，信息可從其他路由節(jié)點進行傳輸，缺點就是，較于以上兩種方式，其成本高，需要更多的網(wǎng)絡(luò)資源。

1.4 ZigBee組成監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架設(shè)計如圖2所示，各種傳感器和眾多ZigBee節(jié)點組成一個ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。每一個ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)都由網(wǎng)關(guān)節(jié)點和一系列的傳感器節(jié)點組成。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)，一個星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍雖小，但經(jīng)濟實惠，適合應(yīng)用于農(nóng)場監(jiān)測。網(wǎng)關(guān)部分作為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基站具有雙重功能，第一，可以自動建立和配置網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)著協(xié)調(diào)器（Co-ordinator）的功能；第二，成為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心的紐帶，向監(jiān)控中心傳遞采集到的信息。此監(jiān)測系統(tǒng)有自動組網(wǎng)的功能，一直處于監(jiān)聽狀態(tài)的網(wǎng)關(guān)會在網(wǎng)絡(luò)中自動檢測新添加的傳感器，同時無線路由會把節(jié)點信息傳給無線網(wǎng)關(guān)，由無線網(wǎng)關(guān)進行編址，更新數(shù)據(jù)和設(shè)備關(guān)聯(lián)等。

傳感器與路由器節(jié)點形成一個多跳的網(wǎng)絡(luò)。各種傳感器分布于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給就近的ZigBee中繼節(jié)點，后ZigBee中心節(jié)點將接收到的ZigBee中繼節(jié)點信息進行匯聚，這里的中心節(jié)點的作用是將匯聚的信息進行初步的處理，有效降低系統(tǒng)的通信代價，并降低能耗水平。然后，ZigBee中心節(jié)點將信息傳給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將采集的信息傳送給遠程監(jiān)控中心，以便于用戶進行遠程監(jiān)控管理。同時無線網(wǎng)關(guān)不僅可以將數(shù)據(jù)送到監(jiān)控中心，而且還可以將數(shù)據(jù)送入互聯(lián)網(wǎng)中的云平臺，進行大數(shù)據(jù)的儲存、管理和分析。圖2展示了由Zig-Bee無線網(wǎng)絡(luò)組成的節(jié)水灌溉的控制系統(tǒng)框圖。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)總體框架設(shè)計

1.5 ZigBee硬件設(shè)計

對于ZigBee無線模塊，本文使用射頻芯片CC2530。CC2530共有40個引腳，其中包括了RF射頻接口、電源接口、和晶振接口等。該芯片由TI生產(chǎn)，有很強的集成開發(fā)環(huán)境支持。這個系統(tǒng)芯片旨在實現(xiàn)嵌入式ZigBee，支持2.4GHz IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。因為CC2530芯片本身的發(fā)射功率很小，所以它的接收靈敏度被固定在某一水平，限制了其無線射頻通信的距離。圖3為CC2530芯片的具體電路設(shè)計，CC2530芯片的22、23引腳外接32MHz晶振，為芯片正常工作提供時鐘，31、32引腳外接32.768KHz晶振，用作控制時鐘，25、26引腳為CC2530自帶的RF接口。而CC2591是由TI生產(chǎn)的高性能射頻前端，可以與CC2530無縫連接，適用于2.4G低電壓、低功耗的無線通信。CC2591通過功率放大器提供較高的發(fā)射功率，通過噪聲放大器提高接收機的靈敏度，從而提高無線通信系統(tǒng)的通訊質(zhì)量，且可以擴展CC2530 RF的距離為原來的15倍左右。同CC2530一樣，CC2591也是高度集成的芯片，其2、4引腳具有射頻收發(fā)功能，將2和4引腳與CC2530射頻接口相連，可實現(xiàn)射頻功率的放大和接收靈敏度的提高。

2.系統(tǒng)應(yīng)用

齊齊哈爾市昂昂溪區(qū)的智慧農(nóng)場是本文ZigBee組成無線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用項目。該農(nóng)場運用了由混合網(wǎng)，各種傳感器，無線網(wǎng)關(guān)，太陽能供電組件，高清攝像頭和小型氣象站組成的ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)采集和環(huán)境監(jiān)測。

在本文的無線監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器的數(shù)據(jù)間隔一段時間通過ZigBee中繼節(jié)點傳送到中心節(jié)點，之后，中心節(jié)點將采集到的土壤方面的信息傳輸?shù)酵獠康木W(wǎng)絡(luò)中，進而通過不同的傳輸方式實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，在這里面，這些節(jié)點相當(dāng)于是孤立的計算機系統(tǒng)，擔(dān)任著傳感器系統(tǒng)的服務(wù)器的角色，直接進行數(shù)據(jù)和各項狀態(tài)的監(jiān)控。可以通過監(jiān)測平臺清楚的看到農(nóng)場中的溫濕度、PH值、氨氮含量等參數(shù)，可高效掌控農(nóng)作物生長勢態(tài)、病蟲害等情況，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過正常值時將會發(fā)出警報告知用戶，用戶可利用PC端等遠程設(shè)備來調(diào)節(jié)控制指定的設(shè)備，讓用戶可以足不出戶就可以掌握和控制農(nóng)情，同時采取相應(yīng)的措施來進行自動灌溉、施肥。

圖3 CC2530芯片電路設(shè)計

3.結(jié)語

本文提出了基于ZigBee技術(shù)的無線監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建了系統(tǒng)的體系框架并介紹了其在物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的具體應(yīng)用。目前應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的無線監(jiān)測技術(shù)以溫室大棚為主，并且控制功能相對較弱。此監(jiān)測系統(tǒng)不僅能監(jiān)控溫室大棚，而且可應(yīng)用于露天果園和面積更大的農(nóng)田，具有更強的環(huán)境適應(yīng)性，相比于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)，更為節(jié)能降耗。智慧農(nóng)場的項目表明，本文的ZigBee無線傳輸系統(tǒng)確實適應(yīng)性強，數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，用戶體驗大大提升,具有巨大的規(guī)模農(nóng)業(yè)的應(yīng)用前景。但由于本文設(shè)計的ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)是采用星形拓撲結(jié)構(gòu)，傳輸穩(wěn)定性等方面在后期需逐漸改善。

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