基于ZigBee的土壤沙化程度监控分析系统的应用探索

孙旭杰 王佳伟 杨 涛 卢会会 姚小雪

（南京工程学院，江苏省南京市 211167）

随着科学技术的高速发展，信息通讯技术、计算机网络技术及物联网技术等被广泛应用到工业及生活的各个领域，也推动了农业与环保技术的进一步发展。在环保领域，土地沙漠化一直是一个备受关注的问题，其中由于农业用地的过度开垦及所处环境的季节性变化，使土壤的沙化风险逐渐增加，然而一般农业设备无法检测土壤的沙化程度，且传统的土壤沙化程度测量方法既复杂又成本较高。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）以其节点高密度、大范围、强动态性的特色，可实现土壤沙化水平的信息收集与传输；ZigBee技术是一种低速、适用于短距离传输的无线组网技术，具备低成本、低功耗、支持大量收集节点、支持多种收集拓扑、复杂度低、快速、可靠、安全等特色，能满足动态、智能、实时监控的要求[1]。鉴于此，笔者设计了一套基于ZigBee的土壤沙化水平监控分析系统，实现了无人监控、远程监控、远程分析，极大程度地保证了对易沙化地区土壤的及时保护。现拟对该系统的设计、硬件、软件进行详细介绍，并通过试验应用案例分析，论证该系统的实用性和合理性。

1 系统的设计

在本系统中，设计感知节点作用于温度、湿度、光强、风速、土壤酸碱度的数据收集与无线传输；组建ZigBee网络的任务主要由协调节点负责，将感知节点接收的数据经由端口传送到PC端；PC端通过监测软件获取土壤的各参数数据并将结果显示出来，用户可远程读取并对各参数进行快捷有效的监控分析。系统结构见图1。

图1 系统结构

2 系统的硬件

2.1 CC2530模块

本系统应用TI公司的CC2530单片机作为主控芯片，其优点主要有：（1）CC2530内容集成有2.4 GHz符合IEEE.802.15.4规范的DSSS射频收发器，具有良好的无线接收能力和防干扰能力，且具备一个加强的8051控制器；（2）具备256 kB的可编程Flash和8 kB的RAM[2]；（3）芯片集成8通道12位ADC（模数转换器）、128位AES加密解密安全协处理器、休眠模式定时器等[2]；（4）芯片的集成度较高、抗外界干扰能力强、功率消耗较低，且可以发出指令、读取状态、自主工作和明确无线设备事件的顺序。

2.2 节点供电电源

电源的作用主要是为单片机、传感器等供电，在本系统中单片机与传感器的供电电压不同，传感器为5 V，单片机为3.3 V。现选取较高供电电压，即5 V锂电池，但给单片机供电还需转换电平，因此在本系统中还要添加一个电平转换功能。经研究，选择使用的电平转换芯片为TPS79533,输入电压为2.7～5.5 V,输出电压为3.3 V[3]。本系统设计的电源供电硬件的原理见图2。

图2 电源模块电路

2.3 环境感知模块

环境感知模块主要通过CC2530获得温度、湿度、光强、风速、土壤酸碱度等信息。通过前端的传感器获得相应的信号，再通过A/D转换输入到CC2530单片机的I/O口，从而获得当前的感知信息。下面以温湿度传感器为例，介绍CC2530获取环境感知信息的过程，见图3。其他传感器节点原理与此相似，故不再赘述。

图3 温湿度传感器节点模块

温湿度传感器SHT11通过P1.0和P1.1与CC2530相连，P0.0端口作用于温湿度传感器的电源开关，见图4。

3 系统的软件设计

3.1 节点软件设计

该系统软件是基于TI公司的Z-Stack协议栈开发[4]。在本系统中，由于栈协议以操作系统的形式表现，因此所有的操作都被认为是任务或者事件。

图4 SHT11通信原理

协调器在经过初始化后完成网络建设，网络建立后，协调器控制数据由传感器节点向PC端进行传输。有两个任务需要在传感器与节点交互之后完成：（1）每隔10 s向协调器发送1个信息包，PC端经由过程统计单元时间段内收到的数据包的数目，感知传感器节点是不是处于正常工作状态[5]。（2）每隔1 h向协调器节点传输1次土壤各个参数的数据。传感器检测到的模拟电压信号在处理后变为各个参数的具体数据[5]，通过通信电路发给CC2530。

协调器启动后，包括无线电通道等在内的初始化即开始进行，紧接着定义相关配置及节点，接着网络便开始工作，见图5。Z-Stack以操作系统的形式出现[5]，完成组网和硬件初始化工作后便可进行数据的传递。路由器节点与协调器节点的开启与作用过程基本相似，前者比后者多进行两项工作：（1）向后者发送信息包；（2）向后者发送土壤各个参数的数据。

图5 节点软件流程

3.2 上位机监控

如图6所示，通过后台服务器，在上位机监控软件中可以了解网络中每个节点的IEEE地址、网络地址、传感器的历史数据和实时数据。在同等情况下，可以对参数进行自定义改变，从而更加方便地进行土壤各参数数据的分析以及沙化程度的研究。

图6 上位机监控流程

4 试验应用案例及应用效果

4.1 基于ZigBee无线传感器的农业灌溉监控系统的应用[6]

该系统以CC2530芯片为核心，选用SHT11温湿度传感器、BH1750光强度传感器，合理设计了传感节点，并运用IAR7.60编程软件基于协议栈对软件部分进行了设计。在试验时，室内测试中，系统组网、通信、阀门控制全部正常；室外测试中，单点通信距离在无障碍物的情况下测得130 m左右为最佳通信距离、有障碍物的情况下70 m为最佳通信距离，光照强度的测得值偏差可控制在5%以内，系统采集的温度误差可控制在1 ℃以内、湿度误差可控制在2%以内。经检验，该系统虽然存在一定的测量误差，但全部误差都在合理范围内，对于农田系统的灌溉几乎不会产生影响，故该系统具备在农田中实际应用的可行性。

4.2 基于ZigBee无线网络的土壤墒情监控系统的应用[5]

该系统基于CC2430和CC2591进行开发，选用BD-1型土壤水分传感器对土壤进行水分参数的采集，并选用200-PGA电磁阀进行控制。经过相似的节点连接及软件设计后，该系统同样进行了试验。在试验中，测得当节点高度为1.5 m时通讯质量最高，在该高度下，节点相距300 m时，通讯质量仍可满足工程需要，且网络即使在大雨天气也能保持86%以上的数据包接受率，网络稳定性高。通过对比土壤8 cm深处和20 cm深处的水分含量，并对比降雨前后土壤湿度的数据，验证了该系统测得数据的可靠性。

4.3 农业大棚智能控制系统的应用

ZigBee农业大棚智能控制系统，通过在农业大棚内布置已嵌入ZigBee模块的温度、湿度、光照等传感器，对棚内的温度、湿度、光照等进行监测自动化控制。由于ZigBee强大的组网能力，实现了大面积的区域监控，极大地降低了智能温室大棚的建设成本和运行成本。监控系统与建立的基于作物生长周期的墒情专家系统有机集成，能实现作物生长的精细和动态监控，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平。

以山东乐陵蔬菜种植基地为例，引进“智慧农业”后，实现了农业生产模式转型，喷灌、施肥、施药等都可通过智能遥控的方式实现，并可根据不同作物的不同需肥量设定好每次的施肥量，由系统自动调节水肥比例，输送到作物的根茎部，不但精准度高，而且大大节约了水肥资源，提高了作物产量。完成农业生产模式的转型升级后，该基地全年节水60%～80%、节肥35%～55%、节地5%～8%，且方便了农业相关部门对农产品安全的监管，工作人员只需上网查看，就可调出经营单位的实时画面，实现了24 h监管。

[1] 杨永超，曾刚，黄勇，等.基于ZigBee无线传感网络的窨井安全监测系统[J].安全与环境工程,2015,22(5):96-101.

[2] 罗秋晨.基于CC2530的无线传感器网络节点设计[J].机电一体化,2012,18(11):57-59.

[3] 刘鹏宇.基于室内光能和振动能的复合式能量采集微电源系统研究[D].重庆:重庆大学,2013.

[4] 李宁.基于ZigBee的低功耗数据采集系统的设计与实现[D].北京:华北电力大学,2015.

[5] 胡培金，江挺，赵燕东.基于ZigBee无线网络的土壤墒情监控系统[J].农业工程学报,2011,27(4):230-234.

[6] 高伟民.基于ZigBee无线传感器的农业灌溉监控系统应用设计[D].大连：大连理工大学,2015.