一种基于WSN的果园土壤状况监测系统设计

薛晶晶，刘 珂，冯 瑶，雷文礼

(延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000)

苹果产业一直是陕北水果种植的主要产业。但是由于陕北地区复杂的山区环境和落后的生产方式致使果园的收入效益并不理想，环境污染问题依然严重[1]。怎样在有限的土地资源和环境效益的基础上，以先进的手段提高果园的生产效率，已成为陕北果农解决的主要问题。近年来，随着国内外无线传感器网络技术发展的突飞猛进，精准农业已成为研究的热点。精准农业是指根据农作物生长的自然环境和生长状况，以最经济的投入达到同等收入或更高的收入并且兼顾生态环境的发展。

ZigBee作为一种基于IEEE802.15.4无线标准的短距离、低速无线网络技术，具有工作简单、低功耗、低复杂度、支持大量网上节点、具有自组网和自恢复能力、双向传输和短距离通信等特点[2]。非常适合用于陕北地区果园的土壤监测系统中，本设计以CC2530为核心芯片，结合ZigBee协议栈(Z-Stack)构建了一种适用于陕北地区的果园土壤监测系统[3]。

1 总体设计

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4无线标准的无线网络技术，主要用于联网、应用和安全等方面。适用于数据流量较小，传输速率低等要求的工业和农业方面[4]。对于陕北地区的山区丘陵地带，自然环境较为复杂的果园种植业，采取基于ZigBee技术的无线传感器网络是一种相对可行的方法[5]。

ZigBee网络一般由协调器、路由器和终端节点组成，可支持星状、树状及网状等拓扑结构[6]。用户可以根据果园规模灵活选择拓扑方式，在规模较小的果园中，采用星状拓扑可以有效的降低网络耗能，同时也可以保证数据的完整性。而本文主要针对规模较大的果园生态系统，故选取星状拓扑与网络拓扑相混合的网络拓扑方式。主要基于两方面的考虑：一方面此结构具有星状网络易于组网的特点，结构简单，易于实现。另一方面网状结构使数据传输方式由单跳转变为多跳，增强了网络的自我恢复能力，不会因为某一节点的损坏致使数据丢失，提高了数据传输的可靠性[7]。系统中，协调器(FFD)主要担任无线网络的组建以及给参与网络的节点分配网络位置，它可以和任意节点进行通信。路由器节点(FFD)主要负责数据的收发同时还能维持网络，为后续节点分配地址。终端节点(RFD)负责采集传感器信息，周期性的发送数据且不能接收数据。终端节点和路由器节点将传感器采集到的外界物理数据经由ZigBee网络传送至协调器，协调器发送AT指令控制GPRS模块，GPRS模块接入基站，定时上传数据到固定IP(云端)，上位机从云库读取数据[8]。系统总体框架图如图1所示。

图1 系统总体框架图

2 硬件设计

2.1 CC2530芯片

考虑到系统工作的环境和实际用途，本方案选取TI公司推出的CC2530芯片作为终端节点、路由节点和协调器的主控芯片。CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4和ZigBee应用的一种片上系统解决方案。它结合了一个高性能的RF收发机及业界标准的增强型低功耗8051CPU、8-KBRAM、多达256KB的闪存和其他的外设功能。CC2530在不同的运行模式下的电流消耗很低，正常工作时的温度范围在-40 ℃～125 ℃之间，工作电压介于2 V～3.6 V之间，休眠状态时工作电流仅有0.1 uA[9]。所以将CC2530应用于陕北地区果园土壤的检测系统的主控芯片是较为合适的。

2.2 ZigBee节点硬件总体设计

ZigBee节点的硬件电路大致相同，因为终端节点不担负数据处理任务，可采用CC2530F64芯片搭载相应的射频模块、电源模块和各种传感器模块即可[10]。对土壤进行数据采集时，由于长时间在地下工作，因此在选择器件时，需考虑到随着时间推移的稳定性。且地下的环境更为恶劣，最终选用介电式传感器，土壤中的水分发生改变时土壤介电常数也将发生相应变化，FDS100水分传感器是一款以介电理论为基础采用频域测量技术开发的传感器，它能够对土壤中的含水量进行实时的检测。

路由节点与终端节点的外围电路基本一致，主要差异根据软件编程设定。协调器节点电路相对于路由节点电路差异在于增加了GPRS模块以用于将汇聚节点的数据发送至上位机[11]。本方案选取SIM900B作为GPRS模块。协调器节点电路基本结构如图2所示。

图2 ZigBee节点硬件设计

市场中常见的电池有9 V碱性积层电池、5号碱性电池、18650电池、14500电池等几类。由于ZigBee节点的正常工作电压都介于2 V～3.6 V之间，且均使用直流供电。可选择1节14500可充电锂电池提供电源。14500体积大小与普通的5号电池一样，尺寸为15*29*51 mm，可以方便的安装到节点装置中。1节14500充满电后可提供4.3 V左右的电压，配合5 V，2.5 W太阳能板能达到一节电池为整个系统供电的目的。由于CC2530芯片和传感器等模块均需3.3V稳压电源，综合考虑，选择TI公司生产的LM1117-3.3贴片式低压差稳压芯片[12]。LM1117为三端稳压器，整个电路没有较大负载和大电流，外围电路简单焊接方便，只需在输入端和输出端各加一个滤波电容即可改善瞬态响应和稳定性。

3 软件设计

Z-Stack协议栈提供了完整的路由协议，对应用层完全透明，协议栈收到数据后便自动寻径，将数据转发到目的地址。所以节点软件设计的主要任务是在Z-Stack协议栈的基础上，完成对协调器、路由和终端节点控制软件设计[13]。

协调器节点担负ZigBee网络的初始化以及自动组网，维持网络数据收发的任务[14]。它将上位机的指令转发给各个节点，将各个节点发送的采集数据打包，通过GPRS模块发送至云端。相对于其他两中节点设备它的数据流量最大，耗能最高，也最为复杂。如图3所示为协调器的软件流程。

图3 协调器软件设计

系统上电后开始协议栈的初始化，节点主动发送信标命令检测网络中是否已存在协调器，若不存在则对信道进行能量检测，选择好合适的信道后，分配网络标识符PANID，等待节点加入并为其分配16位短地址。同时协调器通过AT指令对GPRS模块进行配置。当协调器收到GPRS模块传送的上位机指令后将指令转发给各个节点并执行相应功能。终端节点指令执行完毕后将数据发送至协调器，协调器节点通过GPRS模块将数据上传至云端。

终端节点负责将传感器采集到的数据发送至路由器节点和协调器节点[15]。在信道设备初始化完成后，节点向协调器节点发送入网申请加入网络，终端节点接收到数据传输指令，进行数据采集并完成发送。软件流程如图4所示。

路由器节点只存在于传递方式为多跳的拓扑结构中，它主要负责数据信号的中继，同时增加数据传输路径，提高数据传输的稳定性和可靠性[16]。具体软件流程如图5所示。

图4 终端节点软件设计

4 系统测试

按照本文的方法搭建了一个果园土壤检测系统，主要针对系统的能量消耗、通信距离、网络生命的健壮性等进行了测试，在测试中考虑到整个系统体积不适过大，需要将电源模块、传感器模块、ZigBee模块放在一个较小电路板上，大大地增加设计难度。解决方法为使用双层转接的方式满足要求。在星状拓扑和网状拓扑相结合的网络拓扑结构中，其中某个路由节点掉电离开网络后，其子节点能自动寻找其他路由节点作为父节点重新加入网络。数据传输测试分为ZigBee间数据的传输；数据到云端的传输。在数据传输中采用串口通信协议实现。但是在进行云端的传输时需要注意接受与发送两个串口传输的先后顺序，并在每次数据传输完成后需要将该寄存器清空，否则会出现乱码的情况。整个系统中，除协调器节点耗能较多外，其余节点耗能情况较为理想。

5 结语

本文主要研究一种基于ZigBee网络的无线传感器果园土壤检测系统。整个系统以TI公司生产的CC2530为主控芯片，结合与其配套的Z-stack开发平台，提高了系统的开发效率。载波频段为全球通用的2.4 GHz，具有低成本、低耗能、数据传输可靠、延时性低等特点，能够长时间工作在条件恶劣的户外环境中。同时系统创新采用了星状拓扑与网状拓扑结构相结合的布网方式，网络结构较为灵活，提高了整个网络在恶劣环境下的生存能力，配合太阳能充电板解决了系统寿命跟不上苹果生长周期的问题。为陕北地区的果园土壤环境监测提供了一种切实有效的方案。