基于ZigBee技术的环境监控系统设计

摘 要 本文设计了一种基于ZigBee技术的农作物生长环境监控系统，选用ZigBee片上系统CC2530完成对影响农作物生长的空气温湿度、光照强度、土壤温湿度等环境参数的实时监控，实现了系统的自动化。试验表明：本监控系统运行稳定可靠、采集数据精度高、控制稳定准确，达到目标要求。

【关键词】ZigBee 监控 无线传感器网络

1 系统整体设计方案

图1所示的是农作物生长环境监控系统的整体架构示意图。网络终端平台、监控平台以及网关平台这三部分共同组成了整套监控系统。在温室大棚内，分布着土壤湿度从传感器、光照传感器、空气温湿度传感器，用以实时采集棚内的各个环境参数，即系统的网络终端平台；ZigBee无线网络作为信息传递媒介，上传终端节点采集的参数信息到第二部分——网关平台，也就是协调器节点，数据汇总后统一传给监控平台。通过上位机界面，用户可以实时查看各个环境参数值，查看相关调控设备的工作状态，根据实际情况对设备实现自动控制。

2 系统硬件设计

2.1 无线射频模块

本文监控系统为了实现ZigBee网络无线传输功能，故无线射频模块选择CC2530。CC2530因其低功耗的特点，故而能够实现4种电源模式，并且这4种运行模式间的转换耗时短暂，这是其在众多ZigBee芯片中独特的地方。CC2530模块具有诸多优良性能，其融合了RF收发器，可以編写系统闪存，运用增强型业界标准8051CPU。

2.2 电源模块

本设计的供电系统选择太阳能供电模式，考虑其不存在污染，没有安全隐患，故为可再生资源。选用此种供电模式，既避免了供电端突发状况而停电或电池电量不足带来的不便，也免除了电缆布线的不便。

2.3 感知模块

2.3.1 土壤温湿度传感器

本系统土壤温湿度传感器最终选择SHT 10-P型号，该传感器采用土壤专用温湿度探头，能够完全互换，具有极高一致性。

2.3.2 光照传感器

本系统光照度传感器选用Arduino数字型，光强量程为1-65535lux，分辨率为1lx，工作电压VCC为3.3V-5V。

2.3.3 空气温湿度传感器

本系统选用由瑞士Sensirion公司设计推出的SHT15型号空气温湿度传感器。该温湿度传感器性能强大、外形小巧、功耗较低、抗干扰性强的优势。温度精度为±0.4℃，量程为5-40℃；湿度精度为±2%RH，量程为0-90%RH。

3 系统网络设计

3.1 Z-Stack层次分析

Z-Stack的组成方式为分层管理，本设计系统中CC2530决定了硬件与物理层和处于最底层的数据链路层相互关联。这样的结构层次为调试程序、编写提供了便捷。Z-Stack程序的执行是通过轮询方式来的成的，由OSAL来统一支配。

3.2 协调器程序设计

网络的首要设备就是协调器，在组网时负责启动整个网络。协调器上电后进行能量检查、硬件初始化；协议栈发送BeaCon信标，检测信道是否繁忙。当存在其他协调器在同一信道中时，BeaCon信标则会立即做出响应。终端节点的信道需要与已有协调器信道达成一致才能加入网络；最后终端节点获取短地址，通过此地址协调器就能够接收终端节点上传的数据。协调器程序流程图如图2所示。

4 系统测试和分析

本监控系统在天津中德职业技术学院露天平台上来完成模拟试验。在25m*35m的空地上均匀选取5个试验点呈“X”型，每个点上均放置光照度传感器节点、空气温湿度传感器节点，然后在模拟控制中心放置1个PC机和1个网关。经试验测得，太阳能系统能够稳定持续地为系统提供电能；监控平台即PC机界面能够准确及时地显示终端节点上传的各环境参数信息；在正确的时段内，各调控设备也能够按需求通断，满足预期效果

5 结束语

本环境监控系统选用ZigBee无线传感器网络构成监测网络，覆盖整个监控区域，通过采集土壤温湿度、空气温湿度、光照强度等参数，而后上传至网关节点，最后将数据送至监控中心，实现储存监控结果的目的。用户端也能够随时查看任意时段信息，便于农作物生长的分析指导。本系统对实现信息化农业有着重要意义，为农作物生长提供了自动化技术支持。

作者简介

高百惠（1988-），女，黑龙江省哈尔滨市人。硕士学位。现为天津中德应用技术大学助教。研究方向为自动化控制。

作者单位

天津中德应用技术大学 天津市 300350