基于zigbee的即时土壤监测系统

闫宇　丁一　杨蓉芳　孙文汇

摘要：随着物联网技术的发展，基于zigbee技术的应用越来越广泛。解决耕地单位面积产量，增加农作物产量刻不容缓。本设计以CC2530和WiFi esp8266模块问核心，通过串口连接构建s-个zigbee终端节点的1 6位短地址和RSSI值发送给协调器，协调器通过串口将接收数据发送给WiFi模块，通过WIFI信号发送给wifi路由器接入核心网络，将所有数据传送至云端服务器，通过服务器整理后再将数据可观地发送至移动端显示。该系统基本实现了通过移动设备通过无线网络对网关进行访问，实时接收查看zigbee网络发送的数据，为更为详细的田间管理检测提供了保证。

关键词：zigbee 即时 智慧农业

引言

目前中国已成为世界农作物生产第一大国和农作物进口第一大国提高单位面积的产量是提高中国农业生产国际竞争力的关键之一。中国作为世界第一人口大国，耕地面积居世界第四，而人均耕地面积排在126位以后。所以如何用少量的耕地养活大量的人口的问题已经越来越明显。仅依靠大量的进口粮食不是解决问题的长久之计。随着现代化的进展，工业4.O的蓝图已经遍布我们生活的点点滴滴，新兴的通信技术不断拉近人们的距离。唯独农业种植还停留在“面朝黄土背朝天”的时代，唯一能与现代通信挂钩的也只有天气预报了。但随着市场的干变万化，物联网技术的渗透，生产规模的扩大，对农业生产过程的监测，调控技术的需求日益增加。

1核心技术简介

Zigbee作为一种较为新兴的近距离传输技术，用于传感控制应用（Sensor and Control）。由IEEE 802.15工作组中提出，并由其TG4工作组制定规范。该技术的节点能耗低，传输距离远，组网规模大，建设难度低，网络容量大，且无需人工干预，维护费用低。该技术可以很好的应用于大面积田间管理，温室中作物生长监测，减少人为因素的影响，降低人工成本。由终端采集的所有数据经协调器接入核心网上传至云端服务器，再由服务器对数据进行汇总后下发至用户移动端，农户足不出户即可了解田间情况，所见即所得。

2系统工作原理及体系架构

位于田间的终端携带有各种传感器，由电池供电以完成各项数据的采集所有采集以成数据报的形式经zigbee组网发送至协调器处，协调器负责无线传输于有线传输的各协议转换将数据通过wifi芯片上传至核心网，通过核心网连接到服务器，由服务器完成各项数据的整理汇总储存，将更直观的数据组下发至用户移动端。

2.1系统硬件设计

实现流程是由终端节点上的通过串口连接的传感器采集数据，通过zigbee的自组网将采集的信息发送到协调器。本实验使用IOCC2530开发板，作为协器的开发板直接与WiFi模块通过串口相连接传输信息，最后将信息通过wifi模块将信息发送到服务器。

2.2 Zigbee结构分析

zigbee网络拓扑分为三种：星型，树型和网状朴拓。本项目是使用星型朴拓，在星型朴拓中含有一个协调器和众多终端节点。ZigBee协调器是网络各节点信息的汇聚点，是网络的核心节点，负责组建、维护和管理网络。Zigloee网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个zigbee节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求：

（1）节点是FFD节点（Full Function Device全功能节点），具备zigbee协调器的能力。

（2）节点还没有与其他网络连接，当节点已经与其他网络连接时，此节点只能作为该网络的子节点，因为一个zigloee网络中有且只有一个网络协调器。

Zigbee能够成功组网有一个东西是不可或缺的，那就是Zigbee无线传感网络协议栈.ZigBee协议栈可以分为四层：物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）及应用层（APL）。协议栈看似复杂，ZigBee协议栈的物理层及MAC层都是IEEE802.5.14标准中定义的。ZigBee协议栈在802.15.4协议基础上定义了网络层。网络层的主要作用是是保障设备之间的组网和网络节点间的数据传输。

3服务器及系统软件设计

运用node.js来编写一个小型的服务器用来接受ZigBee通过WIFI发过来的数据，其传输是基于UDP协议的。通过http协议向app端发送数据和信息。之所以选择node.js的原因是因为node.js是一个轻量级的服务器编写框架，他主要运用JavaScript语言来编写，简单方便，易上手，人机界面友好。

3.1 App端设计

采用C ordova框架来编写Cordova提供了一组设备相关的API，通过这组API，移动应用能够以JavaScript访问原生的设备功能，如摄像头、麦克风等。C ordova还提供了一组统一的JavaScript类库，以及为这些类库所用的设备相关的原生后台代码。采集得到的数据由MySql来存储用户信息。

3.2网关硬件端口设计

将zigloee模块的RXD接口和wifi的TXD接口;zigloee模块的TXD接口和wifi模块的RXD接口相连，将程序通过烧录器分别下载到zigbee模块的终端节点和协调器中，配置好wifi模块和路由器，使用个人笔记本电脑加入已配置好的路由器设备网络，然后通过移动电源对系统上电，等待指示灯亮起即可。

4数据分析

整个测试在校图书馆5楼实验室实地测试。实验条件及软件设定如下：图书馆5楼实验室规模为30mx 40m，室内无大型障碍物，整体较为空旷为验证终端距离与丢包率的关系，采用4个节点在5m。lOm，20rn，30m经行数据半双工传输。CC2530芯片的发送功率为2dB，单次测试数据报字节为512个，数据报发送间隔为5s/次，终端为4个，传感器两种。经测试终端抓包程序，协调器抓包程序都能抓取到数据报，且能还原出传感器采集到的数据。故丢包率在可接收范围内。

5结论

本文设计了一种基于zigbee的监控系统，可对土壤中氧气和水分的浓度做出记录，给植物提供一个身份证。实现从育种期开始的全方位数据监测与记录，将物联网技术带人信息相对较为封闭的田间。室内节点通信实验说明在没有大型障碍物的前提下距离在30m以内，丢包率满足工程设計需求，可正常工作，节点最大可承载20跳的组网。由于移动端程序优化了储存方式，所有数据在云端记录，故需在网络条件较好的地方访问服务器数据。

参考文献

[1]刘爱民，封志明，徐丽明，现代精准农业及我国精准农业的发展方向[J].中国农业大学学报，2000（2）：24—26

[2]韩华峰，杜克明，孙忠富，等，基于zigbee网络的温室环境远程控制系统设计于应用[j]农业工程学报，2009，25 （7）：158-163.

[3]李东坡，武志杰，陈利军，等.现代农业于新型农业类型与模式特点[J]生态学杂志，2006.25 （6）：686—691.

[4]高峰，张文安，等，基于无线传感网器网络的作物水分状况监测系统研究与设计[J].农业工程学报，2009，25 （2）：107-112.

[5]包长春，石瑞珍，马玉泉，等.基于zigbee技术的农业设施测控系统的设计[j].农业工程学报，2007，23 （8）：160-164.

[6]张瑞瑞，赵春江，陈立平，等.农业信息采集无线传感器网络节点设计[J].农业工程学报，2009，2i（ll）：213—218.[7]陈一飞杜尚丰对农业大系统控制若干问题的思考[J]，农业工程2011（1） 8 —13

[8]杨玮，吕科，张栋，等，基于zigbee技术的温室无线智能控制终端开发[J].农业工程学报，2010，26 （3）：198—_202.