基于ZigBee技術(shù)的戶外農(nóng)作物無線傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)

王三山

（遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 遵義 563006）

0 引 言

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化程度低，農(nóng)作物的生長受自然天氣影響較大，當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，往往不能及時(shí)采取措施，仍存在“靠天吃飯”的弊端。如果采用傳感器實(shí)時(shí)采集各種環(huán)境變量，并利用ZigBee技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，就能準(zhǔn)確掌握環(huán)境變化情況，及時(shí)調(diào)整種植方式，改善農(nóng)作物生長狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化與智能化。

1 淺談ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種無線通信協(xié)議，底層采用由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的MAC層和PHY層[1]，常用于短距離、低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信設(shè)備，屬于物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

1.1 ZigBee技術(shù)與無線傳感網(wǎng)

在物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)中，感知層如同人的視覺、聽覺和觸覺，感知周圍環(huán)境的變化，并利用傳感器、射頻識別、圖像識別等技術(shù)完成數(shù)據(jù)的采集。

在感知層中，以無線通信形式將各傳感節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)被稱為無線傳感網(wǎng)[3]（Wireless Sensor Network, WSN）。無線傳感網(wǎng)常用的通信技術(shù)有藍(lán)牙、WiFi、NB-IoT、GPRS、ZigBee等，而在低速率、短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場景中，ZigBee技術(shù)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

在ZigBee無線傳感網(wǎng)中，各節(jié)點(diǎn)可被配置成以下3種角色：

（1）協(xié)調(diào)器：負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和初始化，同一ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器[4]。協(xié)調(diào)器管理網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，并將所有數(shù)據(jù)匯集后傳至上位機(jī)。

（2）路由節(jié)點(diǎn)：幫助其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的消息，是協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)或其他路由節(jié)點(diǎn)間通信的橋梁。

（3）終端節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)或控制執(zhí)行器，位于網(wǎng)絡(luò)末端，可以發(fā)送和接收消息，但不能轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)消息。

1.2 ZigBee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（1）低功耗

雖然ZigBee的傳輸速率低，但其發(fā)射功率也低，僅為1 mW，處于低功耗模式下的ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就能提供6至24個(gè)月的工作供電[5]，因此特別適合無外部供電情況下的戶外設(shè)備使用。

（2）低成本

ZigBee模塊成本僅為1.5～2.5美元，且ZigBee協(xié)議棧屬于半開源，免專利授權(quán)費(fèi)[6]，成本優(yōu)勢突出。

1.2.1 大容量

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，理論上可以容納六萬多個(gè)節(jié)點(diǎn)，即使是星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)也可容納兩百多個(gè)節(jié)點(diǎn)[7]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)容納的8個(gè)節(jié)點(diǎn)和WiFi網(wǎng)絡(luò)容納的32個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2.2 高安全

ZigBee技術(shù)采用的碰撞避免策略提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時(shí)ZigBee還提供有3個(gè)等級的安全模式，也可采用AES-128加密算法進(jìn)行通信加密[8]。

2 應(yīng)用于戶外農(nóng)作物的無線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)需求分析

戶外農(nóng)作物無線傳感網(wǎng)主要為實(shí)現(xiàn)對影響農(nóng)作物全生長周期的各環(huán)境要素的數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲功能，便于農(nóng)戶實(shí)時(shí)掌握農(nóng)作物生長狀態(tài)，提高農(nóng)田產(chǎn)量和作物質(zhì)量。

2.1.1 環(huán)境參數(shù)的采集

在農(nóng)作物全生產(chǎn)周期中，對農(nóng)作物進(jìn)行種植、管護(hù)時(shí)，需要對農(nóng)作物的各生長要素進(jìn)行監(jiān)測，為智慧農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步研究提供數(shù)據(jù)支撐。傳感節(jié)點(diǎn)需采集對農(nóng)作物影響較大的土壤溫濕度、土壤電導(dǎo)率、土壤pH值、空氣溫濕度、空氣CO2濃度、光照度等環(huán)境參數(shù)。由于農(nóng)作物生長周期較長，各因素變化緩慢，故采樣間隔擬設(shè)定為5 min。同時(shí)，配備有風(fēng)速監(jiān)測、降雨量監(jiān)測、紫外線監(jiān)測、氣壓監(jiān)測等功能的小型氣象站，可提供實(shí)時(shí)全面的氣象數(shù)據(jù)。

2.1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建

傳感器的有線傳輸會(huì)影響農(nóng)作物的耕種、施肥和收獲，因此，傳感器的無線組網(wǎng)方式是智慧農(nóng)業(yè)的必然趨勢，同時(shí)無線傳感網(wǎng)也需具備低功耗、低成本、低維護(hù)等特點(diǎn)，以適用于戶外環(huán)境。最后，無線傳感網(wǎng)中的各傳感數(shù)據(jù)需及時(shí)上傳PC端，便于數(shù)據(jù)存儲和分析。

2.2 無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

戶外農(nóng)作物無線傳感網(wǎng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它包含1個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端傳感節(jié)點(diǎn)[9]，傳感節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器間通過基于ZigBee協(xié)議的無線信號進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

傳感節(jié)點(diǎn)包含搭載ZigBee通信模塊的開發(fā)板和工業(yè)級傳感器（或小型氣象站），兩者通過RS 485總線連接，因此可以在1個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)上輕松掛接多個(gè)傳感器，傳感器可以為同種類或不同種類。無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇掛接傳感器的數(shù)量。

圖1 無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

無線網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建完成后，協(xié)調(diào)器用于匯集網(wǎng)絡(luò)中所有傳感節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過RS 232串行通信線傳至服務(wù)器用于分析、存儲或程序開發(fā)。

2.3 傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 單片機(jī)選擇

德州儀器（TI）公司推出的CC2530型號單片機(jī)兼容IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部集成增強(qiáng)型8051內(nèi)核，結(jié)合TI公司發(fā)布的Z-Stack協(xié)議棧，可縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)難度，對于使用者而言更加容易使用。CC2530單片機(jī)是ZigBee片上系統(tǒng)的最佳解決方案之一[10]。CC2530單片機(jī)及其引腳如圖2所示。

圖2 CC2530單片機(jī)及其引腳

2.3.2 傳感器選擇

戶外農(nóng)田中均采用工業(yè)級傳感器（工業(yè)傳感器具備防水防塵、耐高低溫、穩(wěn)定性好、安裝簡單、壽命較長，能夠適應(yīng)戶外各種惡劣條件等優(yōu)點(diǎn)）。傳感器信號傳輸采用RS 485形式，該通信方式具有通信距離長、抗干擾能力強(qiáng)、掛接設(shè)備方便等特點(diǎn)，便于傳感器遠(yuǎn)距離使用。傳感器性能參數(shù)見表1所列。

表1 傳感器性能參數(shù)

2.3.3 電源選擇

傳感節(jié)點(diǎn)安裝于戶外農(nóng)田，因環(huán)境因素變化緩慢，所以采樣間隔時(shí)間為5 min，節(jié)點(diǎn)在不工作時(shí)處于休眠狀態(tài)，耗電量極低，因此傳感節(jié)點(diǎn)采用蓄電池加太陽能板的供電方式。協(xié)調(diào)器需要保持持續(xù)工作狀態(tài)，因與服務(wù)器電腦連接較近，故可采用USB供電方式。

2.4 小型氣象站

小型氣象站用于對各氣象要素進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，包括空氣溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、光照強(qiáng)度、紫外線、氣壓、最大風(fēng)速、累計(jì)降雨量等。氣象站采用太陽能系統(tǒng)供電，并配有LED顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示氣象數(shù)據(jù)。氣象站既可通過RS 485信號線與傳感節(jié)點(diǎn)開發(fā)板通信，作為傳感網(wǎng)中的終端設(shè)備提供本地?cái)?shù)據(jù)，又可通過NB-IoT通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，作為聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，兩種通信方式為不同的應(yīng)用場景提供了解決方案。小型氣象站示意圖如圖3所示。

圖3 小型氣象站示意圖

小型氣象站采集的氣象參數(shù)如下：

（1）溫度范圍 ：-40 ～ 60℃，精度 ：±1 ℃，分辨率 ：0.1 ℃；

（2）濕度范圍：10%RH～99%RH，精度：±5%，分辨率：0.1%RH；

（3）雨量范圍：0～4 999.9 mm，精度：±10%，分辨率：0.1 mm/min；

（4）風(fēng)速范圍：0～60 m/s，精度：（0～30）m/s±3%、（30～60）m/s±5%，分辨率：0.1 m/s；

（5）風(fēng)向范圍：0～359°，精度：±15°，分辨率：1°；

（6）光照范圍：0～300 kLux，精度：±15%，分辨率：0.1 Lux；

（7）紫外線范圍：0～20 000 W/m2，精度：±15%，分辨率 ：1 μW/cm2；

（8） 氣壓：300～ 1 100 hPa，精度：±3 hPa，分辨率：1 Pa；

（9）最大風(fēng)速分辨率：0.1 m/s；

（10）累計(jì)雨量分辨率：0.1 mm。

3 結(jié) 語

土壤溫濕度、電導(dǎo)率、pH值、空氣溫濕度、CO2濃度、光照度等環(huán)境參數(shù)對戶外農(nóng)作物生長狀態(tài)影響頗大，本文提出的設(shè)計(jì)方案不僅能夠完成環(huán)境和氣象要素的數(shù)據(jù)采集，而且考慮到戶外使用場景的特殊性，以及傳感節(jié)點(diǎn)需要具備防水防塵、穩(wěn)定耐用、功耗較低等特點(diǎn)，故選擇CC2530單片機(jī)作為控制芯片，采用RS 485輸出型工業(yè)傳感器以及太陽能加蓄電池供電的方式。本文基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)具有實(shí)用性、可行性，適用于環(huán)境復(fù)雜的戶外場景。