张莹
【摘 要】针对目前果园环境监测信息化水平低、人工劳动强度大等问题，设计了一种基于ZigBee无线组网技术的果园环境监测系统，该系统通过分布于果园中的传感器节点采集环境参数，利用ZigBee和GPRS构建无线数据传输网络，通过远程数据中心对果树生长环境进行动态监测，可为果树的精准培育、科学种植提供有效的数据支持，该设计具有低成本、低功耗、易扩展、监测范围广、实时性好等特点，能满足果园环境监测及信息化建设的需要。
【关键词】ZigBee；CC2530；果园环境监测；网关
中图分类号： TP393 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0067-003
Design of Orchard Environment Monitoring System based on ZigBee
ZHANG ying
（College of Mathematics and Physics，Weinan Normal University，Weinan Shaanxi 714099，China）
【Abstract】In this paper， an orchard environment monitoring system based on ZigBee wireless networking technology is designed to solve the problem of low level of informatization and low labor intensity.The system collects environmental parameters through sensor nodes distributed in orchards，Using ZigBee and GPRS to construct wireless data transmission network，dynamic monitoring of fruit tree growth environment through remote data center can provide effective data support for the cultivation of fruit trees and scientific cultivation.The design has low cost，low power consumption， easy expansion，Monitoring a wide range of real-time and other characteristics， to meet the orchard environment monitoring and information technology needs.
【Key words】ZigBee；CC2530；Orchard Environmental Monitoring；Gateway
陜西是全国果业第一大省，尤以苹果种植最为著名，被联合国粮农组织认定为世界最佳苹果优生区，也是全球集中连片苹果种植面积最大的区域。统计数据显示，2016年陕西苹果种植面积达70.4×104 hm2，产量1100×104 t，占全国总产量的1/4、世界总产量的1/7[1]。通过对陕西苹果主产区白水、合阳、乾县等地苹果种植现状的调查，发现大多数果园仍采用人工为主的粗放式管理方式，存在工作量大，费时费力，效率低下等问题，同时，不分地力水平依靠肥料提升产量，导致环境压力加大，果品的优品率受到影响。实践表明，果园的温湿度、光照、土壤水分、氨氮含量、pH值等环境参数对果树的生长和果实的产量、品质有着重要的影响[2-3]，快速、准确、有效地获取果园环境参数是精准化、智能化、现代化管理的关键之一[4]。为提高果园环境监测的信息化水平、减小人工劳动强度，提出一种基于近距离无线通信技术ZigBee的果园环境监测系统，通过分布于果园中的传感器节点采集环境参数，利用ZigBee和GPRS构建无线数据传输网络，通过远程数据中心对果树生长环境进行动态监测，为科学合理种植提供数据支持。
1 总体设计方案
果园环境监测系统由3部分组成：数据采集传输网络、网关及远程数据中心[5]。根据ZigBee组网规范，每个ZigBee网络中包含一个协调器节点和若干个终端节点，终端节点上连接着各种不同类型的传感器，分布于果园中的不同监测区域，采集果树生长环境中的温湿度、光照、土壤水分、氨氮含量和pH值，周期性地以无线射频的方式将采集结果发送到协调器；网关接收汇聚到协调器的传感器网络数据帧并提取出有效数据进行存储，同时，网关上移植了嵌入式Web服务器Boa，并通过扩展GPRS模块建立Internet连接，用户使用浏览器即可实现B/S架构的远程访问。
2 硬件电路设计
2.1 ZigBee节点电路设计
在ZigBee网络中，协调器节点和终端节点的电路组成是一样的[6]。设计中选用了TI公司生产的CC2530F256芯片，该芯片是一款符合IEEE 802.15.4标准的无线射频收发芯片，运行Z-Stack协议栈，芯片内部集成了一个增强型的8051内核、一个RF射频收发核心、8kB的RAM和256kB的可编程FLASH，提供21个可编程I/O接口和2个UART接口，接收灵敏度-92dBm，发射功率+4.5dBm。通过组网测试，在无路由中继的条件下，节点间有效通信距离仅为75m左右。由于果园中监测范围较广，射频信号易受果树遮挡而衰减，为提高通信距离，在CC2530电路中增加CC2592构成射频前端[7]，电路如图2所示。当CC2592工作在RX高增益模式下时，节点的发射功率将提高到+22dBm，发射距离将增加到350m左右。本设计中，ZigBee网络采用星型拓扑结构，网络中包含1个协调器节点和4个终端节点，其中，协调器节点通过UART接口与嵌入式网关相连，用于汇总、传输ZigBee网络数据；4个终端节点通过I/O接口与温湿度、光照、土壤水分及pH值等4种传感器相连，用于采集分布区域内的果树生长环境参数。endprint
2.2 传感器检测电路设计
设计中采用温湿度传感器模块AM2301检测环境中空气的温度和湿度[8]，温度测量范围-40℃～80℃，精度±0.5℃，湿度测量范围0～99.5%RH，精度±3%RH，在电路连接方式上，只需将该模块的SDA数据线与CC2530的P1.4口相连即可；光照度检测选用数字式光照度传感器BH1750FVI，测量范围0～65535lux，精度±1lux，采用I2C协议与CC2530通信，设计时将该模块的SCL、SDA引脚分别与CC2530的P1.5、P1.7口相连；土壤水分检测选用HQTS土壤水分传感器，测量范围0～100%，精度±3%，采用RS485总线输出；土壤pH值检测选用PH-TRSJ土壤pH值传感器，测量范围0～14，精度可达±0.02，响应时间<10s，采用RS485总线输出。由于CC2530不支持RS485总线协议，使用MAX3485芯片设计了RS485总线匹配电路。
2.3 网关硬件设计
选用Micro2440开发板作为网关硬件平台[9]，该开发板核心处理器选用基于ARM920T内核的S3C2440，运行主頻400MHz，板载64MB的SDRAM和256MB的NAND FLASH，外部硬件资源丰富，完全可以满足系统设计的需要。GPRS模块选用SIM900A GSM/GPRS模块，该模块工作电压5V，采用标准的AT指令集，支持语音和短信业务，可以通过拨号上网的方式连接到Internet。网关通过UART接口与ZigBee网络协调器和GPRS模块相连，通过在网关上移植了Sqlite轻型数据库和嵌入式Web服务器Boa，用户可通过远程监测主机或手机实现监测数据的远程访问。
3 软件设计
3.1 网关软件设计
网关软件采用VMware虚拟机在ARM-Linux交叉编译环境中设计完成[10]。操作系统选用嵌入式Linux2.6，移植u-Boot作为Bootloader系统引导加载程序，根文件系统使用BusyBox创建，同时，在网关上移植了嵌入式Web服务器Boa和嵌入式数据库Sqlite。由于ZigBee网络协调器和GPRS模块均通过UART接口与网关通信，在内核中添加并配置了串口驱动程序。应用程序主要完成传感器网络数据的接收和处理功能，当网关收到来自于ZigBee网络协调器的数据传输请求后，利用串口协议对数据帧进行解析，提取出节点编号和传感器数据形成新的数据帧保存到数据库中，同时，与阈值进行比较，若有异常，通过GPRS模块向用户手机发送告警短信。通过为网关设置固定的IP地址，用户使用浏览器就可以随时随地登录系统，通过调用相应的CGI查询程序查看环境监测结果。
3.2 ZigBee节点软件设计
ZigBee节点软件设计包括协调器软件设计和终端节点软件设计两部分。协调器节点是ZigBee网络的核心，负责网络的建立和维护，以及数据和命令的汇总、处理、转发等。接通电源后，协调器节点将首先执行系统启动代码以完成硬件平台和软件架构的初始化，包括初始化系统时钟、堆栈、存储器和其它硬件模块，初始化MAC层、应用层协议，启动OSAL操作系统。然后，协调器节点将对DEFAULT_CHANLIST中指定的信道进行能量扫描，选择其中一个信道并在其上形成网络，同时为网络设置网络标识（PANID）并创建绑定表。此后，协调器将向广播信标帧，如果收到合法节点的入网请求会将该节点加入到网络中，并为节点分配一个16位的网络地址，在收到节点发送来的数据后，通过串口转发到网关。终端节点初始化过程与协调器节点相同，初始化后，终端节点扫描DEFAULT_CHANLIST中指定的信道，选择网络标识为ZDAPP_CONFIG_PAN_ID定义的网络并申请加入，成功入网后，将周期性地采集传感器数据并以无线射频的方式发送到协调器节点，考虑到终端节点使用电池供电，设计中采用休眠-唤醒机制以节省节点能耗。
4 系统测试
4.1 ZigBee网络通信可靠性测试
选择校园中一片小树林对ZigBee网络的通信可靠性进行了测试。用1个协调器节点和1个终端节点组建ZigBee网络，由终端节点周期性地向协调器节点发送双字节数据包，发送速率为10个/s，数据包量为500个，不断调整协调器节点与终端节点间的距离，通过TI Packet Sniffer软件对协调器收到的数据包进行分析，得到如表1所示的测试结果。当终端节点与协调器节点间的距离>120m后，数据丢包率明显增高，这是由于无线射频信号受到测试环境中树干、树枝等的遮挡所致，因此，在实际应用中，部署节点时应注意终端节点与协调器节点间的距离应<120m。
4.2 环境参数采集功能测试
采用5个ZigBee节点设备构成一个星型网络，其中1个节点设备作为网络协调器，通过串口连接到网关，其余4个节点设备连接不同的传感器，部署在小树林中的不同区域，采集环境中的空气温湿度、光照度、土壤水分和土壤pH值，从2017年5月17日上午9：00至中午12：00连续监测3小时，通过浏览器登录到监测系统主界面，查询得到如图3所示监测结果，结果表明，系统数据采集功能正常，运行稳定可靠。
5 结束语
将传感器技术、嵌入式技术和ZigBee无线组网技术应用于果园环境监测系统，可实时、准确、高效采集果树生长环境中的温度、湿度、光照、土壤含水量等参数，利用嵌入式网关和Web服务器，可实现监测数据的远程查询，为果树的精准培育、科学种植提供了有效的数据支持。该设计具有低成本、低功耗、易扩展、监测范围广、实时性好等特点，能满足果园环境监测及信息化建设的需要。
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