基于ZigBee无线传感器网络的草原环境监测系统设计

张亚锋

(甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

我国草地资源约有4亿多公倾，其中有近3亿公倾的草原和1亿多公倾的草山草坡，约占农用土地面积的一半［1］。草原是人类赖以生存至关重要的资源，尤其在广大的半干旱、干旱区，天然草原是非常重要的可更新资源，它不但具有调节气候、涵养水源、净化空气、缓解洪涝灾害、防止水土流失等众多作用，而且为畜牧业提供了物质基础，这已成为科技界和经济界的共识。然而从20世纪60年代到如今，由于受全球气候变化的影响，我国人口的迅速增长和人们经营活动强度的加大，导致我国草原退化严重，载畜能力严重下降，各种灾害屡次发生。因此，及时了解草原牧草生长状况和草原气候特点，并研究分析草原气候因素对牧草生长、发育以及产量的影响，对于保护草原生态环境，合理放牧，科学掌握草原气候变化规律等至关重要。

无线传感器网络(WSN)［2］是由部署在监测区域内的大量、具有感知能力和通信的传感器节点，通过无线通信方式构成的多跳自组织网络。而ZigBee［3］最适合作为WSN无线通信方式的选择，具有低功耗、低成本、低复杂度等优点。因此，为更好地监测草原气候变化的动态，促进畜牧业的生产，本设计提出了基于ZigBee无线传感器网络的草原环境监测方案，实现对影响草原牧草生长的气候因素，包括空气温湿度、光照度、降雨量的实时、远程监测。

1 系统结构设计

1.1 气候因素对草原环境的影响

诱发草原退化的最重要因素之一是气侯因素，在恶劣的气候条件下(如干旱、大风)可以引起草原退化的发生，反过来，当草原退化到达一定的程度和面积时也会对该区域气候环境造成一定的影响，使得气象条件进一步恶化。气候条件对草原天然牧草生长发育有很大影响，如空气温湿度和天然牧草的生长发育有密切的关系，只有在适宜的温度［4］下才能生长发育;光照度直接影响着天然牧草的光合能力，在一定的光照强度范围内，光合能力随着光照强度的增大而增大，但是当光照度超过饱和点后，反而会导致光抑制作用，引起牧草的生理障碍;降水对牧草产量的高低有很大的影响，降水充足牧草产量就高，反之就低，并且降水量影响着牧草生长的高度。

1.2 系统体系结构

图1 草原监测系统结构图

针对草原环境监测系统设计的要求，基于 ZigBee无线传感器网络技术，构建了草原环境监测系统，该系统由ZigBee监测网络和远程监测PC机组成。本设计采用星型网络拓扑结构，如图1所示。

其中ZigBee监测网络包括传感器节点和协调器节点。传感器节点完成草原天然牧草生长环境的空气温湿度、光照度及降雨量等参数，并通过ZigBee监测网络将采集到的信息周期性发送至协调器节点;协调器节点实现组建ZigBee网络，分配网络地址并发送入网响应等功能，同时完成与监测PC机的通信;监测PC机用于显示、存储草原环境信息，以便管理人员对影响草原天然牧草生长发育的气候因素进行分析，用于调节和管理天然牧草。

2 节点硬件设计

节点硬件设计采用模块化的设计思想，以TI公司的CC2530芯片为核心设计了传感器节点、协调器节点。节点结构主要包括处理器与无线通信模块、传感器模块(仅传感器节点)、太阳能电源模块、GPRS模块(仅协调器节点)，其结构如图2所示。

图2 节点硬件结构图

2.1 处理器与无线通信模块

该模块选用TI公司推出的是CC2530芯片［5］，它为新一代片上系统解决方案，内部集成了低功耗的8051微处理器和高性能的RF收发器，工作频段为2.4 GHzISM(Industrial Scientific Medical)。支持宽电压供电范围2 V～3.6 V，工作环境温度为-40℃～125℃;支持接收、发送、休眠等五种工作模式，并且转换时间短，在发送和接收模式下，电流消耗分别为29 mA、24 mA，在休眠模式下电流仅为0.4 μA，满足超低功耗的设计要求。由于CC2530功耗低、封装小，硬件设计简单，且内部集成了一些常用的功能模块，在WSN(Wireless Sensor Network)中得到了广泛地应用。

2.2 传感器模块

传感器的主要技术参数如表1所示。

表1 传感器技术参数

它们的输出形式分别为数字输出，电压输出，干簧管通断。

2.3 太阳能电源模块

由于传感器节点被放置在草原上，阳光充足，并且传感器消耗较大和节点长时间工作的要求，因此能量供应采用太阳能电源模块，该模块包括太阳能电池板、蓄电池及控制器。

2.4 GPRS模块

GPRS模块选用西门子公司的MC39i模块［6］，该模块的稳定性与性价比较高，工作在EGSM900与GSM1800双频，提供数字、短消息、语音及传真，支持GPRS多时隙Class10和AT命令编程，利用ZIF为用户提供RS-232、SIM卡以及语音等接口，具有低功耗、接口简单等优点。MC39i模块通过串口与协调器节点相连，从而实现ZigBee监测网络内数据的远距离传输。

3 系统软件实现

系统软件包括协调器节点、传感器节点以及监测中心三部分。

3.1 协调器节点软件设计

协调器节点是整个ZigBee网络的核心，主要负责建立网络，允许节点加入网络和分配短地址。先是给协调器上电，之后便进行初始化，包含系统初始化与任务初始化。接着就扫描配置一个合适的信道用来建立ZigBee网络，当有节点请求加入网络时，协调器给它分配短地址并自动进入允许绑定模式，用来响应节点的绑定请求。绑定成功后协调器节点便接收从路由节点和传感器节点传送来的数据，并通过GPRS网络将它传送到远程监测PC机。协调器节点软件流程如图3所示。

图3 协调器节点软件流程图

3.2 传感器节点软件设计

传感器节点主要负责采集草原环境信息并发送给路由节点或者协调器节点。节点上电后，先是进行初始化，扫描信道，并请求加入已存在的 ZigBee网络。接着在加入网络成功后请求绑定，若绑定成功，便开始采集数据，并将数据发送给路由节点或协调器节点，之后便转入低功耗模式并计时，若是时间到，便继续采集，如此循环。传感器节点软件流程如图4所示。

图4 传感器节点软件流程图

3.3 监测中心软件设计

监测中心使用北京亚控公司的组态王6.55，该软件具有丰富的函数控件和图库，可以快速完成用户界面。监测软件主要包括实时数据曲线显示、报警设置和历史数据查询等。其中，在组态王界面实现空气温湿度、光照强度以及降雨量的实时显示，并将组态王与SQL SERVER连接起来，可以实现数据的查询。

4 测试及其结果分析

4.1 系统测试

由于ZigBee网络中节点间的无线传输受周围环境影响比较大，为保证系统测试可以顺利进行，本文测试是在天气晴朗、场地开阔的操场上放置四个传感器节点，节点之间的距离不超过50 m，而协调器节点放置在距离最近的传感器节点的70 m处，并通过USB转串口线与计算机相连。经测试该系统运行稳定，可以在30 s内完成数据的采集，系统测试数据如表2所示。

表2 系统测试数据

4.2 节点温湿度采集精度测试

以空气温湿度为监测对象，对节点的传感器精度进行了测试，测试时间为2014年5月20日9时至18时。利用精准测试工具希玛AR837空气温湿度检测仪，与节点通过SHT11传感器所测得的空气温湿度进行比较。如图5所示。

图5 空气温湿度结果比较

从空气温湿度对比图中可以看出测量的结果准确性高，温度误差不超过±0.3℃，湿度误差不超过±%2RH。

5 结束语

为了保护草原生态环境、促进畜牧业发展，构建了基于Zig-Bee无线传感器网络的草原环境监测系统。该系统采用星型网络拓扑结构和GPRS技术，保证草原环境数据的实时采集和远程传输，实现大范围的草原牧草生长环境监测，科学掌握草原气候特点与草原牧草生长发育状况。系统组网方便、稳定可靠，为无线传感器网络技术在草原环境监测领域的实际应用做了有益探索。

［1］章力建，刘帅.保护草原增强草原碳汇功能［J］.中国草地学报，2010，32(2):1-5.

［2］鲜晓东，常超，胡颖，等.基于WSNs和GSM的室内环境监测预警系统设计［J］.传感器与微系统，2011，30(6):141-144.

［3］郭斌，钱建平，张太红，等.基于 Zigbee的果蔬冷链配送环境信息采集系统［J］.农业工程学报，2011，27(6):208-213.

［4］高浩，潘学标，符瑜.气候变化对内蒙古中部草原气候生产潜力的影响［J］.中国农业气象，2009，31(3):277-282.

［5］张烈平，杨帆.基于ZigBee的温室监测系统设计［J］.中国农机化学报，2013，30(2):113-116.

［6］张洋溢，王忠.基于ARM的GPS/GPRS多功能手持终端的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2011，19(12):3050-3051.