基于Zigbee的多参数传感终端低功耗设计与实现

杨春勇，谷 瑑，陆 恒，覃 敏

(中南民族大学 电子信息工程学院，湖北 武汉 430074)

近年来，以ZigBee为代表的无线传感器网络技术在农业环境监测方面的研究和应用受到广泛关注.如利用多个无线传感器节点监测农业大棚的环境参数[1-3].目前针对农业环境监测系统的研究主要集中在网络覆盖和性能方面，而在终端的多功能和低成本方面的研究还鲜有所见.实际应用中，终端的成本、功能、性能却是影响无线传感器网络普及应用的重要因素[4].现有的无线传感网络终端存在三个不足：一是其所能采集的参数较少[5].虽然单个终端的成本并不高，但若要采集单位面积的多种环境参数，则需添加更多的单个终端，因此实际上部署整个系统的成本不降反升.二是其缺少现场图像信息.为了掌握作物的实际生长状况，用户不得不到现场进行实地观察，因而在监测场地距离远、相对分散的情况下，就显得十分不便[2-3].三是终端节点大都采用干电池供电[6].单一的供电方式不能满足多种场合持久工作的需要[7].

针对以上提及的无线传感器网络终端存在的不足，本文设计一种基于ZigBee的多参数智能传感终端.该终端具有的特点包括：具有对农作物生长形态的远程拍照功能；可配置多种传感器接入技术；传感器阵列TDM(time division multiplexed，TDM)节能供电方案；具有电量监测预警功能的太阳能、市电、蓄电池FILO三级堆栈智能电源[8].

1 系统原理

多参数智能传感终端的总体结构如图1所示.系统主要由四部分组成，分别是微控制器平台、传感器阵列、无线传输模块和智能电源模块.微控制器平台是多参数智能传感终端的核心.传感器阵列包含形态图像、温度、湿度、气体浓度、光照强度和土壤酸碱度共计6种传感器.尽管传感器阵列一方面可丰富采集的环境参数，但另一方面也给系统功率预算带来较为苛刻的要求.为了有效降低系统功耗，本文考虑传感器阵列节能供电方案，如此可使得采样周期内系统功耗保持相对稳定.终端还采用智能电源模块供电，可满足系统在不同应用环境下全天候供电需求，达到提高多参数智能传感终端续航工作的能力.无线传输模块的功能是用于终端按照相关协议加入到无线传感器网络，并将传感器采样数据传送给网络协调设备.

图1 多参数智能传感终端总体结构

图2 硬件结构图

2 系统实现

2.1 硬件实现

终端硬件结构如图2所示，微控制器平台选用低成本的Silicon公司生产的C8051F350 芯片.它主要负责协调控制传感器阵列进行多参数综合采集；实现传感器阵列TDM节能切换控制；控制XBee无线传输模块与上位机通信.传感器阵列是多参数智能传感终端的重要组成部分，它由SHT11温度/湿度传感器、MAX44009环境光照传感器、TDR-3土壤湿度传感器、SH-300-ND空气CO2浓度传感器和E-201-C-9水环境pH值传感器构成，基本涵盖了农作物生长所需的几种关键环境参数.此外，考虑到环境监测现场情景相对固定，因此硬件上设计接入低成本的ZSV-01P串口摄像头，用户可根据需要远程采集被监测现场的图像信息，为科学管理和决策提供更为直观的资料.无线传输模块采用美国Digi公司的XBee ZNet 2.5低功耗模块[5]，它内置ZigBee协议栈，工作于全球免费的2.4G ISM频段，具有16个信道，室内传输40 m，室外传输120 m.

为满足智能传感终端在不同场合的全天候稳定供电需求，本文采用优先级为太阳能、市电和蓄电池FILO三级堆栈构成智能电源模块，如图3所示.蓄电池是最后一道能源保障；太阳能和市电可根据监测现场实际需求配置，同时太阳能、市电存在时均可以为蓄电池充电和智能终端供电.当三种电源共存时，优先使用太阳能；当没有太阳能和市电的情况下，采用蓄电池供电；当太阳能或市电二者之一搭配蓄电池使用时，太阳能或市电优于蓄电池使用.

(a)蓄电池供电 (b)太阳能、市电、蓄电池供电 (c)太阳能、蓄电池或市电、蓄电池供电

太阳能电源模块采用Eco-Worthy生产的ICO-SPC-20 W太阳能电池板，输出电压20 V，通过LM2596降压为系统供电；市电采用9 V/1000 mA电源适配器接入；蓄电池采用4节三洋18650 2600 mAh 3.7 V可充电电池，两两串联后再并联，经过前端稳压至5 V后接入电路.同时，本文设计了蓄电池剩余电量监测功能，确保智能终端正常工作.

为有效降低多参数智能传感终端的功耗，本文设计了电源TDM节能供电方案，其原理如图4所示.如图，根据传感器的功率大小和稳定输出时间不同，将传感器工作时间划分成不等的时间片，在对应时间片内使能部分传感器，而其他传感器处于休眠状态，在传感器阵列工作一个轮后，终端即进入休眠待机时间，此后再开启下一个循环，形成一个采样周期.

图4 传感器阵列TDM节能供电方案示意图

图5 终端接收控制指令的中断响应流程图

图6 传感器阵列TDM节能供电方案与ALL-ON方案功耗对比

2.2 软件实现

系统软件包括主程序和中断响应程序两部分.系统上电以后首先初始化C8051F350，然后根据图4所示的TDM节能供电方案控制传感器阵列采集数据，并将数据通过XBee无线传输模块发送给网络协调设备.当终端接收到来自网络协调设备发送的拍照、系统重启和测试等控制指令时，系统即进入中断响应程序，中断响应流程如图5所示.

2.3 系统测试及分析

在实验室环境下，本文对实现的多参数智能传感终端进行能耗测试，测试结果与传感器阵列中所有传感器同时工作(ALL-ON)的情况进行对比，如图6所示.从图中可以明显地看出，采用传感器阵列TDM节能供电方案可以相对减少约45%～50%的能耗，这一结果可使终端节点的连续工作时间延长一倍，对农业环境监测具有较为重要的意义.

将多参数智能传感终端放置在经柏油防水处理的实验室屋顶进行功能测试，测试时间为2011-08-13—14，测试地点为武汉(29°58′20″N，113°53′29″E)，晴天少云，室外温度38℃，地面50℃以上.终端配置的6个参数的测试结果如图7所示.

实验结果分析：

1)如图7(a)～7(d)所示，在连续测试的24 h，温度、空气湿度、光照强度和CO2浓度值的变化趋势均与天气变化情况一致；

2)将土壤湿度传感器插入花盆中，于8:00时向花盆中加入少量水，土壤湿度值开始上升，17:00左右花盆里的土壤受沥青散热影响，土壤湿度值急剧下降.该测试结果的变化情况准确反映在图7(e)上.

3)图7(f)所示为摄像头拍摄的图片，画面清晰可见.

3 结论

本文结合ZigBee传感器网络在环境监测方面的应用需要，设计并实现了一种多参数智能传感终端工程样机，对其进行了环境参数采集、远程拍照功能和整体能耗测试.实验室测试结果表明，该终端可正常运行；其采集到的数据可以及时准确反应环境参数变化；具有较高的灵敏度和稳定性；远程拍照功能可以为用户提供现场图像信息；在软硬件设计上，本文充分考虑在不同场合布设的需要，系统总体达到了设计目标和性能要求.

(a) 空气温度 (b) 空气湿度 (c)光照强度

(d) 空气CO2浓度 (e) 土壤湿度 (f)测试环境照片

[1] Jeonghwan Hwang,Changsun Shin,Hyun Yoe.Study on an Agricultural Environment Monitoring Server System using Wireless Sensor Networks[J].Sensors.2010,10(12):11189-11211.

[2] 史兵,赵德安,刘星桥,等.基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统[J].农业工程学报,2011,27(9):136-140.

[3] 关新明.井下基于无线传感器网络的环境监测系统设计[J].中国新通信,2008(11):62-65.

[4] 赵曦,解永平.基于ZigBee的智能传感器网络无线接口设计[J].仪器仪表学报,2006(S2):621-622.

[5] 纪建伟,鲁飞飞.ZigBee技术在农业环境监测系统中的应用与研究[J].农业网络信息,2011(1):26-29..

[6] 李忠成.基于无线传感器网络的环境监测系统研究与设计[J].计算机测量与控制,2008(7):32-34.

[7] 王非,茅忠明,周宝良.基于ZigBee的综合实验室监控系统[J].上海理工大学学报,2008, 30(2):87-90.

[8] Lei Xiao, Lejiang Guo. The Realization of Precision Agriculture Monitoring System Based on Wireless Sensor Network[C]//2010 International Conference on Computer and Communication Technologies in Agriculture Engineering,2010(3):89-92.