薛晶晶，劉 珂，馮 瑤，雷文禮

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

蘋果產(chǎn)業(yè)一直是陜北水果種植的主要產(chǎn)業(yè)。但是由于陜北地區(qū)復(fù)雜的山區(qū)環(huán)境和落后的生產(chǎn)方式致使果園的收入效益并不理想，環(huán)境污染問題依然嚴(yán)重[1]。怎樣在有限的土地資源和環(huán)境效益的基礎(chǔ)上，以先進(jìn)的手段提高果園的生產(chǎn)效率，已成為陜北果農(nóng)解決的主要問題。近年來，隨著國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已成為研究的熱點(diǎn)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是指根據(jù)農(nóng)作物生長的自然環(huán)境和生長狀況，以最經(jīng)濟(jì)的投入達(dá)到同等收入或更高的收入并且兼顧生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。

ZigBee作為一種基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低速無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有工作簡單、低功耗、低復(fù)雜度、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、具有自組網(wǎng)和自恢復(fù)能力、雙向傳輸和短距離通信等特點(diǎn)[2]。非常適合用于陜北地區(qū)果園的土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)以CC2530為核心芯片，結(jié)合ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)構(gòu)建了一種適用于陜北地區(qū)的果園土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]。

1 總體設(shè)計(jì)

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用和安全等方面。適用于數(shù)據(jù)流量較小，傳輸速率低等要求的工業(yè)和農(nóng)業(yè)方面[4]。對(duì)于陜北地區(qū)的山區(qū)丘陵地帶，自然環(huán)境較為復(fù)雜的果園種植業(yè)，采取基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種相對(duì)可行的方法[5]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成，可支持星狀、樹狀及網(wǎng)狀等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]。用戶可以根據(jù)果園規(guī)模靈活選擇拓?fù)浞绞?，在?guī)模較小的果園中，采用星狀拓?fù)淇梢杂行У慕档途W(wǎng)絡(luò)耗能，同時(shí)也可以保證數(shù)據(jù)的完整性。而本文主要針對(duì)規(guī)模較大的果園生態(tài)系統(tǒng)，故選取星狀拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嗷旌系木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞?。主要基于兩方面的考慮：一方面此結(jié)構(gòu)具有星狀網(wǎng)絡(luò)易于組網(wǎng)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。另一方面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)傳輸方式由單跳轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗵鰪?qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的自我恢復(fù)能力，不會(huì)因?yàn)槟骋还?jié)點(diǎn)的損壞致使數(shù)據(jù)丟失，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹7]。系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器(FFD)主要擔(dān)任無線網(wǎng)絡(luò)的組建以及給參與網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)位置，它可以和任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。路由器節(jié)點(diǎn)(FFD)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)同時(shí)還能維持網(wǎng)絡(luò)，為后續(xù)節(jié)點(diǎn)分配地址。終端節(jié)點(diǎn)(RFD)負(fù)責(zé)采集傳感器信息，周期性的發(fā)送數(shù)據(jù)且不能接收數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)將傳感器采集到的外界物理數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器發(fā)送AT指令控制GPRS模塊，GPRS模塊接入基站，定時(shí)上傳數(shù)據(jù)到固定IP(云端)，上位機(jī)從云庫讀取數(shù)據(jù)[8]。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CC2530芯片

考慮到系統(tǒng)工作的環(huán)境和實(shí)際用途，本方案選取TI公司推出的CC2530芯片作為終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的主控芯片。CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的一種片上系統(tǒng)解決方案。它結(jié)合了一個(gè)高性能的RF收發(fā)機(jī)及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型低功耗8051CPU、8-KBRAM、多達(dá)256KB的閃存和其他的外設(shè)功能。CC2530在不同的運(yùn)行模式下的電流消耗很低，正常工作時(shí)的溫度范圍在-40 ℃～125 ℃之間，工作電壓介于2 V～3.6 V之間，休眠狀態(tài)時(shí)工作電流僅有0.1 uA[9]。所以將CC2530應(yīng)用于陜北地區(qū)果園土壤的檢測(cè)系統(tǒng)的主控芯片是較為合適的。

2.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件電路大致相同，因?yàn)榻K端節(jié)點(diǎn)不擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)處理任務(wù)，可采用CC2530F64芯片搭載相應(yīng)的射頻模塊、電源模塊和各種傳感器模塊即可[10]。對(duì)土壤進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于長時(shí)間在地下工作，因此在選擇器件時(shí)，需考慮到隨著時(shí)間推移的穩(wěn)定性。且地下的環(huán)境更為惡劣，最終選用介電式傳感器，土壤中的水分發(fā)生改變時(shí)土壤介電常數(shù)也將發(fā)生相應(yīng)變化，F(xiàn)DS100水分傳感器是一款以介電理論為基礎(chǔ)采用頻域測(cè)量技術(shù)開發(fā)的傳感器，它能夠?qū)ν寥乐械暮窟M(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。

路由節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的外圍電路基本一致，主要差異根據(jù)軟件編程設(shè)定。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路相對(duì)于路由節(jié)點(diǎn)電路差異在于增加了GPRS模塊以用于將匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)[11]。本方案選取SIM900B作為GPRS模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

市場中常見的電池有9 V堿性積層電池、5號(hào)堿性電池、18650電池、14500電池等幾類。由于ZigBee節(jié)點(diǎn)的正常工作電壓都介于2 V～3.6 V之間，且均使用直流供電。可選擇1節(jié)14500可充電鋰電池提供電源。14500體積大小與普通的5號(hào)電池一樣，尺寸為15*29*51 mm，可以方便的安裝到節(jié)點(diǎn)裝置中。1節(jié)14500充滿電后可提供4.3 V左右的電壓，配合5 V，2.5 W太陽能板能達(dá)到一節(jié)電池為整個(gè)系統(tǒng)供電的目的。由于CC2530芯片和傳感器等模塊均需3.3V穩(wěn)壓電源，綜合考慮，選擇TI公司生產(chǎn)的LM1117-3.3貼片式低壓差穩(wěn)壓芯片[12]。LM1117為三端穩(wěn)壓器，整個(gè)電路沒有較大負(fù)載和大電流，外圍電路簡單焊接方便，只需在輸入端和輸出端各加一個(gè)濾波電容即可改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

3 軟件設(shè)計(jì)

Z-Stack協(xié)議棧提供了完整的路由協(xié)議，對(duì)應(yīng)用層完全透明，協(xié)議棧收到數(shù)據(jù)后便自動(dòng)尋徑，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目的地址。所以節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，完成對(duì)協(xié)調(diào)器、路由和終端節(jié)點(diǎn)控制軟件設(shè)計(jì)[13]。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的初始化以及自動(dòng)組網(wǎng)，維持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)的任務(wù)[14]。它將上位機(jī)的指令轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集數(shù)據(jù)打包，通過GPRS模塊發(fā)送至云端。相對(duì)于其他兩中節(jié)點(diǎn)設(shè)備它的數(shù)據(jù)流量最大，耗能最高，也最為復(fù)雜。如圖3所示為協(xié)調(diào)器的軟件流程。

圖3 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后開始協(xié)議棧的初始化，節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送信標(biāo)命令檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中是否已存在協(xié)調(diào)器，若不存在則對(duì)信道進(jìn)行能量檢測(cè)，選擇好合適的信道后，分配網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符PANID，等待節(jié)點(diǎn)加入并為其分配16位短地址。同時(shí)協(xié)調(diào)器通過AT指令對(duì)GPRS模塊進(jìn)行配置。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到GPRS模塊傳送的上位機(jī)指令后將指令轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)節(jié)點(diǎn)并執(zhí)行相應(yīng)功能。終端節(jié)點(diǎn)指令執(zhí)行完畢后將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至云端。

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[15]。在信道設(shè)備初始化完成后，節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)傳輸指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并完成發(fā)送。軟件流程如圖4所示。

路由器節(jié)點(diǎn)只存在于傳遞方式為多跳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，它主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號(hào)的中繼，同時(shí)增加數(shù)據(jù)傳輸路徑，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性[16]。具體軟件流程如圖5所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)測(cè)試

按照本文的方法搭建了一個(gè)果園土壤檢測(cè)系統(tǒng)，主要針對(duì)系統(tǒng)的能量消耗、通信距離、網(wǎng)絡(luò)生命的健壯性等進(jìn)行了測(cè)試，在測(cè)試中考慮到整個(gè)系統(tǒng)體積不適過大，需要將電源模塊、傳感器模塊、ZigBee模塊放在一個(gè)較小電路板上，大大地增加設(shè)計(jì)難度。解決方法為使用雙層轉(zhuǎn)接的方式滿足要求。在星狀拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)湎嘟Y(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，其中某個(gè)路由節(jié)點(diǎn)掉電離開網(wǎng)絡(luò)后，其子節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)尋找其他路由節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試分為ZigBee間數(shù)據(jù)的傳輸；數(shù)據(jù)到云端的傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸中采用串口通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)。但是在進(jìn)行云端的傳輸時(shí)需要注意接受與發(fā)送兩個(gè)串口傳輸?shù)南群箜樞?，并在每次?shù)據(jù)傳輸完成后需要將該寄存器清空，否則會(huì)出現(xiàn)亂碼的情況。整個(gè)系統(tǒng)中，除協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)耗能較多外，其余節(jié)點(diǎn)耗能情況較為理想。

5 結(jié)語

本文主要研究一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器果園土壤檢測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)以TI公司生產(chǎn)的CC2530為主控芯片，結(jié)合與其配套的Z-stack開發(fā)平臺(tái)，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。載波頻段為全球通用的2.4 GHz，具有低成本、低耗能、數(shù)據(jù)傳輸可靠、延時(shí)性低等特點(diǎn)，能夠長時(shí)間工作在條件惡劣的戶外環(huán)境中。同時(shí)系統(tǒng)創(chuàng)新采用了星狀拓?fù)渑c網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合的布網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為靈活，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在惡劣環(huán)境下的生存能力，配合太陽能充電板解決了系統(tǒng)壽命跟不上蘋果生長周期的問題。為陜北地區(qū)的果園土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了一種切實(shí)有效的方案。