基于ZigBee和能量感知的田域環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯 瑞， 黃亦翔， 張 凱， 呂 煬， 貢 亮

(1. 南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院， 南京 210044;2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240)

基于ZigBee和能量感知的田域環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯 瑞1， 黃亦翔2， 張 凱1， 呂 煬1， 貢 亮2

(1. 南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院， 南京 210044;2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240)

針對(duì)田域環(huán)境面積大，有線組網(wǎng)方式成本高，布線困難等問題，提出了一種以ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的田域環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并給出了節(jié)點(diǎn)能量?jī)?yōu)化方案。該系統(tǒng)包括信息采集部分和數(shù)據(jù)接收部分。信息采集部分由田域環(huán)境里布置的終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集空氣溫濕度，土壤電導(dǎo)率等參數(shù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯聚信息。數(shù)據(jù)接收部分由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器與手機(jī)、電腦組成。重點(diǎn)闡述了數(shù)據(jù)采集部分每層節(jié)點(diǎn)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)能量感知應(yīng)用還有監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)。試驗(yàn)結(jié)果表明:使用了能量感知方法和能效優(yōu)化方案的網(wǎng)絡(luò)，生存期最長(zhǎng)，傳送了更多的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)可為精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

田域環(huán)境； ZigBee； 能量感知； 能效優(yōu)化

0 引 言

農(nóng)田是不可增長(zhǎng)的自然資源，如何在有限的農(nóng)田資源基礎(chǔ)上，借助先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段提高農(nóng)田生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益已成為我國(guó)必須解決的重大課題[1-3]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)由低功耗體積小的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過自組網(wǎng)的方式建立通信連接，它可以應(yīng)用在很多場(chǎng)合，例如：文獻(xiàn)[4]中在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用WSN預(yù)防森林火災(zāi)；文獻(xiàn)[5]中在地鐵環(huán)境里建立WSN監(jiān)測(cè)地鐵實(shí)時(shí)環(huán)境；文獻(xiàn)[6]中把WSN用于實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警。

目前基于ZigBee WSN在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上應(yīng)用研究已有很多，但是對(duì)于在大規(guī)模農(nóng)田種植領(lǐng)域中的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，節(jié)能策略卻缺少深入研究[7-9]。本文提出的系統(tǒng)基于能量感知和ZigBee無線通信技術(shù)，考慮到了節(jié)點(diǎn)能量管理和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期的問題，提出了能量?jī)?yōu)化方案，可實(shí)現(xiàn)對(duì)田域環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并且提高了網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

田域環(huán)境WSN系統(tǒng)主要由信息采集端和數(shù)據(jù)接收端兩部分組成。其中信息采集端包括WSN中的終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)使用空氣溫濕度傳感器、土壤水分傳感器等采集數(shù)據(jù)再利用ZigBee近距離無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)不僅負(fù)責(zé)下級(jí)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)也有測(cè)量環(huán)境的功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收路由器節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)再利用GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。所有節(jié)點(diǎn)由鋰電池進(jìn)行供電，太陽能電池板進(jìn)行充電。數(shù)據(jù)接收端由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器和手機(jī)、PAD和電腦組成。其中網(wǎng)關(guān)服務(wù)器用來存儲(chǔ)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境信息，手機(jī)、筆記本移動(dòng)端可以查看田域環(huán)境信息。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

信息采集端是由ZigBee技術(shù)組成的無線局域網(wǎng)。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)可以分成3層，分別對(duì)應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。由于每層網(wǎng)絡(luò)有自己各自的任務(wù)，故其結(jié)構(gòu)和電路也會(huì)有區(qū)別。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)的處理器芯片是Silicon Labs公司的C8051F340。該芯片所需外圍電路少，有兩路串口，自帶多路10位AD轉(zhuǎn)換接口，充分滿足了設(shè)計(jì)需求[10]。ZigBee無線通信選擇鼎泰克公司基于CC2530開發(fā)的DRF1605H模塊，該模塊傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，插上天線可在1 km距離內(nèi)穩(wěn)定使用，無線頻率在標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz，具有優(yōu)良的抗干擾性[11]。無線通信模塊與處理器芯片通過串口連接。節(jié)點(diǎn)的電源由鋰電池供電，充電管理芯片采用高輸出電流的CN3702，它具有封裝外形小、外圍元器件少、使用方便簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)單節(jié)和多節(jié)鋰電池進(jìn)行完整的充電管理[12]。由于芯片和傳感器的供電電壓不一，故需要DC-DC電源模塊，該模塊具有升壓和降壓兩種。終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)略有不同，其增加了一個(gè)GPRS模塊，省略了田域環(huán)境傳感器。GPRS通信采用芯訊通公司的SIM900A模塊，SIM900A體積小巧，工作頻率有4種，含有TTL電平接口可以與控制器芯片通過串口連接[13]。利用該模塊連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，將協(xié)調(diào)器上無線通信模塊接收到的數(shù)據(jù)解析完畢后發(fā)送至網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.3 能效優(yōu)化和能量感知電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用背景是田域環(huán)境，由于田域環(huán)境布線困難且不實(shí)際，故節(jié)點(diǎn)的能量是有限的，節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量是必需的。本設(shè)計(jì)中使用繼電器模塊，在傳感器不工作時(shí)，關(guān)閉傳感器電源，僅令控制器和ZigBee模塊有電。繼電器模塊電路見圖4。繼電器的兩端接鋰電池的正極，5號(hào)腳接三極管的集電極，三極管基極連接控制器芯片的P3.6，三極管由控制器芯片控制導(dǎo)通閉合，當(dāng)三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電池電壓從繼電器的3號(hào)腳引出，然后流入DC-DC模塊，為傳感器供電[14]。

圖4 能效優(yōu)化電路圖

本系統(tǒng)中的路由器節(jié)點(diǎn)任務(wù)多，耗電量也是最大的，所以需要具有能量感知功能，由于控制器芯片引腳耐壓值是5 V，電池電壓遠(yuǎn)高于5 V，故需要串聯(lián)2個(gè)電阻進(jìn)行分壓，R20和R21是2個(gè)精密電阻，在繼電器模塊打開之后控制器芯片通過AD轉(zhuǎn)換可讀出當(dāng)前電源剩余電量。節(jié)點(diǎn)能量感知電路如圖5所示。

圖5 電源能量感知電路

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)：采集各路傳感器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送到路由器節(jié)點(diǎn)。為了降低節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)有收發(fā)任務(wù)時(shí)，開啟所有模塊的供電，否則只保留處理器芯片和CC2530有電。終端節(jié)點(diǎn)的工作主流程如圖6所示。同時(shí)終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)該保存路由器節(jié)點(diǎn)的能量信息，當(dāng)某個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)能量過低時(shí)，該路由器節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)下級(jí)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量信息，終端節(jié)點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)應(yīng)該發(fā)送到別的路由器節(jié)點(diǎn)，該過程利用中斷實(shí)現(xiàn)。中斷流程如圖7所示。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)主流程圖圖7 終端節(jié)點(diǎn)中斷流程圖

3.2 路由器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

如2.3節(jié)所述，路由器節(jié)點(diǎn)要承擔(dān)更多的任務(wù)，其能量消耗也是最大的，所以路由器節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有監(jiān)測(cè)自身剩余能量的功能，當(dāng)自身能量低于閾值時(shí)，發(fā)送消息至下級(jí)的節(jié)點(diǎn)通知其更換另一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)該路由節(jié)點(diǎn)能量重新充滿之后發(fā)送消息至下級(jí)節(jié)點(diǎn)，通知其繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)到該路由器節(jié)點(diǎn)上[15-16]。路由器節(jié)點(diǎn)的工作主流程如圖8所示。路由器節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能通過處理器芯片的中斷程序?qū)崿F(xiàn)，當(dāng)路由器節(jié)點(diǎn)收到下級(jí)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)中斷程序，進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)，中斷流程圖如圖9所示。

圖8 路由器節(jié)點(diǎn)主流程圖圖9 路由器節(jié)點(diǎn)中斷流程圖

3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)：接收來自路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解包，將解包后的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作流程圖如圖10所示。

圖10 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

4 監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)

數(shù)據(jù)接收端由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器和監(jiān)測(cè)網(wǎng)頁組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上的GPRS模塊使用TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器通信。服務(wù)器的監(jiān)聽程序接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)識(shí)別，得知發(fā)送數(shù)據(jù)的原始節(jié)點(diǎn)編號(hào)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表中。數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。用C#語言開發(fā)的窗體應(yīng)用程序可以從數(shù)據(jù)庫(kù)表中讀取數(shù)據(jù)。該窗體應(yīng)用程序界面如圖11所示。

基于ASP.NET平臺(tái)開發(fā)的Web應(yīng)用，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪問，及時(shí)地獲取田域環(huán)境信息。該系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用于上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院的溫室中。圖12為環(huán)境監(jiān)測(cè)Web頁面。

圖11 數(shù)據(jù)接收程序界面圖

圖12 環(huán)境監(jiān)測(cè)WEB頁面

5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

為了檢測(cè)本系統(tǒng)的節(jié)能效果和數(shù)據(jù)傳送是否穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了3組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。第1組試驗(yàn)設(shè)計(jì)：對(duì)所有節(jié)點(diǎn)都關(guān)閉能效優(yōu)化和能量感知功能，即開啟DC-DC模塊一直保持，對(duì)傳感器持續(xù)供電；第2組試驗(yàn)設(shè)計(jì)：對(duì)所有節(jié)點(diǎn)都開啟能效優(yōu)化功能，即只在田域環(huán)境傳感器需要工作時(shí)，才開啟DC-DC模塊，但仍然關(guān)閉能量感知功能，即終端節(jié)點(diǎn)不會(huì)更換上級(jí)路由器節(jié)點(diǎn)；第3組試驗(yàn)設(shè)計(jì)：對(duì)所有節(jié)點(diǎn)都開啟能效優(yōu)化和能量感知功能。3組實(shí)驗(yàn)都是在沒有太陽能供電，僅對(duì)鋰電池一次供電的情況下進(jìn)行的，由于材料有限，設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)都是2個(gè)。圖13為節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖。

圖13 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在沒有太陽能持續(xù)供電，對(duì)鋰電池充滿電使用的情況下，第一組方案終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)生存期明顯較短，生存期最長(zhǎng)僅能支持20 h，存活最短的節(jié)點(diǎn)是承載更多轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的路由器節(jié)點(diǎn)，而且當(dāng)該路由器節(jié)點(diǎn)耗完電之后也無法轉(zhuǎn)發(fā)下級(jí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟失；第2組方案由于采用了能效優(yōu)化功能，生存期比第1組方案大大提高，生存期最長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)可以支持2 d以上的連續(xù)工作，但是承擔(dān)更多轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的路由器節(jié)點(diǎn)在耗完電之后，下級(jí)的終端節(jié)點(diǎn)不會(huì)改變傳送路徑，所以造成了一部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失；而第3組方案由于使用了能量感知功能，當(dāng)承擔(dān)更多任務(wù)的路由器節(jié)點(diǎn)電量低于閾值的時(shí)候，下級(jí)節(jié)點(diǎn)會(huì)改變傳送路徑，平衡了路由器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，減少了數(shù)據(jù)的丟失。

6 結(jié) 語

本文針對(duì)田域環(huán)境條件，完成了基于ZigBee技術(shù)的田域環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)田域空氣溫濕度、土壤濕度等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。通過Web應(yīng)用，用戶可以及時(shí)、便捷地了解田域環(huán)境信息，并且對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用能效優(yōu)化和能量感知功能。試驗(yàn)結(jié)果證明了節(jié)點(diǎn)的生存期相比沒有使用能效優(yōu)化功能的節(jié)點(diǎn)更長(zhǎng)，并且保證了更多的數(shù)據(jù)傳送量。

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Design of Farmland Environment Monitoring System Based on ZigBee and Energy Aware

HOURui1,HUANGYixiang2,ZHANGKai1,LüYang1,GONGLiang2

(1. School of Information and Control, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Generally the size of farmland is large. It is high cost and poor flexibility to use wired network. Aiming at this situation, a farmland environment monitoring system by using the ZigBee wireless sensor network technology as the core and a scheme on node energy optimization are presented. This system includes two parts: the information collection and the data storage. The information collection consists of end-node, router-node and coordinator-node. Parameters such as temperature, humidity and soil electric conductivity are measured by end-node and router-node. Coordinator-node is responsible for collecting datum. The data storage consists of server and computer. The experimental result shows that the network which uses energy aware and energy efficiency method can live longer and send more data. This monitoring system may provide data support to the development of precision agriculture.

farmland environment; ZigBee; energy aware; energy efficiency

2016-09-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B01)；國(guó)家青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305258)；上海市科委項(xiàng)目(1411104600)

侯 瑞(1991-)，男，江蘇南京人，碩士生，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

Tel.: 18795811061; E-mail:altitude1820@163.com

張 凱(1965-)，男，山東泰安人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事智能交通與檢測(cè)。

Tel.：13813838622; E-mail:zkark@nuist.edu.cn

TP 274

A

1006-7167(2017)05-0057-04