基于WiFi與ZigBee的山區農田環境監測系統研究

韓團軍

關鍵詞： 監測系統; 實時采集; ZigBee; WiFi; 環境監測; CC2430

中圖分類號： TN926+.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）02?0014?04

Research on mountainous farmland environmental monitoring

system based on WiFi and ZigBee

HAN Tuanjun

（School of Physics & Telecommunications Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： A mountainous farmland environmental monitoring system based on WiFi and ZigBee is designed according to the environmental characteristics and application requirements of mountainous areas， so as to solve the limitations of the traditional mountainous farmland environmental monitoring system. The temperature?humidity sensor， illumination sensor and CO2 sensor are selected for the system to conduct real?time acquisition of environmental parameters. The CC2430 radio frequency chip is adopted to complete the function of the ZigBee protocol. Data transmission and connection to the upper computer are realized by combining with the WiFi protocol. The Web server is used for the personal computer to display， process and store data. The experimental results show that the system can realize accurate detection of environmental parameters， which can expand its application range.

Keywords： monitoring system; real?time acquisition; ZigBee; WiFi; environment monitoring; CC2430

隨著我國對農業生產環境要求不斷提升和農業信息化水平的提高，實現山區農業環境參數實時監測，智能傳輸和數據處理具有重要的戰略應用價值。傳統的無線監測網絡采用單一的無線傳輸模式，由于監測點環境廣泛性和特殊性，這種監測方法無法解決使用時的耗能和傳輸速率問題，而且安裝不變[1?3]。

為了解決以上問題，結合山區地貌的實際環境本文提出基于WiFi與ZigBee技術的環境監測系統。該方法是將ZigBee技術的低功耗、可自組網和多跳傳輸的特點和具有易于和工業以太網相互融合傳輸速率比較高的WiFi技術相結合。可以實現在低功耗和減少傳感器數量基礎上對當地環境的精確測量[4?6]。

1 ?監測系統的硬件設計方案

該系統是通過無線傳感器節點完成對當地環境參數的采集并將采集到的參數通過ZigBee協議傳輸到ZigBee?WiFi網關。由于ZigBee技術無法與外網直接融合，所以必須使用WiFi技術作為中轉，ZigBee?WiFi網關作用就是實現協議之間的轉換。

通過協議網關轉換，參數就可以在ZigBee和WiFi之間進行傳輸和應用。上位機接收、存儲和顯示通過ZigBee傳輸到ZigBee?WiFi網關的傳感器節點采集到的數據[7?9]。整個系統的硬件框圖如圖1所示。

2 ?硬件接口的設計

智能傳感器節點的硬件結構，ZigBee路由節點硬件的關鍵是選擇能耗和成本比較合適的微處理器芯片，為了增加節點數據的處理和存儲能力，采用TI公司片上系統CC2430通信模塊。該模塊能夠滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段的應用。該芯片集成了一個2.4 GHz DSSS的收發器和高性能的8051控制器，支持多種ZigBee協議。傳感器節點如圖2所示。當地區的溫濕度數據由SHT71傳感器采集，ISL29010完成地區的光照數據、濕溫度數據與光照數據通過I2C協議與CC2430進行通信。CO2氣體濃度采集選用紅外原理的B530傳感器，其原理是根據CO2對一定波段紅外輻射的吸收作用，使得指定測量范圍內輻射能量減弱程度來決定CO2的濃度。土壤的濕度由FDS100傳感器進行采集。溫度采用DS18B20進行測量，CO2和土壤的溫濕度參數都是通過CC2430的P0端口進行采集電壓信號的變化。CC2430完成數據的打包與判斷，通過差分信號輸入到圖2中天線模塊;天線模塊對CC2430輸出的差分信號通過放大進行發射，同時將接收網關傳回的信號傳入CC2430模塊中[10?14]。

2.1 ?WiFi模塊的設計

硬件中WiFi模塊是針對ZigBee?WiFi設計的，其作用是完成數據從ZigBee模式向WiFi模式的轉換和WiFi模塊對信號的收發。WiFi模塊和CC2430通過串口進行通信，WiFi模塊通過串口接收CC2430上傳的當地環境參數的采集信息，并通過WiFi協議和工業以太網進行通信;同時上位機控制指令通過WiFi模塊發送給網關節點，其指令通過CC2430進行處理后通過ZigBee協議傳送到相應的智能采集節點。WiFi模塊采用ESP8266，特點是具有尺寸小、硬件接口多、功耗低、傳輸數據量大、速度快、通信協議簡單、操作方便等眾多優點，最重要的是內嵌TCP/IP協議，使網絡數據傳輸更方便。單片機通過USART串口和該模塊進行通信，發送AT命令即可輕松完成配置，全雙工通信的性能使得終端和底層硬件實現完美結合，有效地提高了數據的實時性。設計中將WiFi模塊與單片機的串口2相連如圖3所示。

2.2 ?ZigBee模塊的設計

設計ZigBee模塊時，傳感器節點的硬件連接可以通過I2C串口數字模式讀取數據，這種設計方法不僅可以節省處理器接口資源而且連線方便。其中傳感器引腳一般接CC2430芯片的P06和P07接口。具體電路如圖4所示。

3 ?系統的軟件設計

系統的軟件設計包括ZigBee?WiFi網關程序和智能采集節點的程序。

1） 數據采集節點程序。該節點程序主要完成地區的數據采集。系統上電后先是各個節點初始化同時網絡進行自檢，網絡建立成功后，當監聽到網關指令系統時按照設定的時間進行周期性的數據采集和信號傳輸，如果沒有新的指令系統處于監聽狀態，等候網關有新命令傳達。具體流程圖如圖5所示。

2） ZigBee?WiFi網關節點程序。ZigBee?WiFi網關節點程序是建立在應用層上的協議轉換器，完成整個區域內數據傳輸的控制以及ZigBee和WiFi兩個相對獨立網絡之間的傳輸中的協議轉換。通過網關節點可以使傳感器節點的數據在不存儲的情況下發送給上位機，也可以使上位機的指令發送給指定的節點。網關節點流程圖如圖6所示。

4 ?系統的測試

為了方便讀取數據，設計Web服務器環境遠程監測軟件，采用B/S結構的Web服務器。通過系統測試，該系統可以穩定實現環境參數測量，檢測軟件，用戶界面上能穩定顯示當前地區的數據結果，用戶顯示界面如圖7所示。

通過對系統進行軟硬件設計，通過實驗環境測試系統可以穩定對山區環境參數進行測量。測量數據通過ZigBee網絡傳到ZigBee?WiFi無線網關，再通過WiFi技術將數據轉發給上位機應用軟件。表1為系統中某一智能傳感器節點發回的當地區在1 h內每隔10 min的環境參數數據。

5 ?結 ?論

根據現代農業對環境的要求和山區環境的特點，設計基于WiFi與ZigBee的山區農田環境監測系統。該系統能對山區環境實時監測，并可以通過ZigBee?WiFi網關實現測量參數的無線傳輸，且方便接入上位機。通過LabVIEW實現上位機對測量參數的實時處理和顯示。測量結果表明，該系統成本較低、功耗小，能夠滿足山區農業環境的實時監測要求，具有一定的農業推廣應用價值。

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