首 页   关 于   联系我们

实验室研究与探索  2017 , 36 (5): 57-60

仪器设备研制与开发

基于ZigBee和能量感知的田域环境监测系统设计

侯瑞1, , 黄亦翔2, 张凯1, , 吕炀1, 贡亮2

1. 南京信息工程大学 信息与控制学院, 南京 210044
2. 上海交通大学 机械与动力工程学院, 上海 200240

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

HOU Rui1, , HUANG Yixiang2, ZHANG Kai1, , LÜ Yang1, GONG Liang2

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

中图分类号:  TP274

文献标识码:  A

文章编号:  1006-7167(2017)05-0057-04

通讯作者:  通信作者:张 凯(1965-),男,山东泰安人,教授,硕士生导师,主要从事智能交通与检测。Tel.:13813838622; E-mail:zkark@nuist.edu.cn

收稿日期: 2016-09-5

网络出版日期:  2017-05-20

版权声明:  2017 《实验室研究与探索》编辑部 《实验室研究与探索》编辑部 所有

基金资助:  国家科技支撑计划项目(2014BAD08B01)国家青年自然科学基金项目(51305258)上海市科委项目(1411104600)

作者简介:

作者简介:侯 瑞(1991-),男,江苏南京人,硕士生,主要研究方向为无线传感器网络。Tel.: 18795811061; E-mail:altitude1820@163.com

展开

摘要

针对田域环境面积大,有线组网方式成本高,布线困难等问题,提出了一种以ZigBee无线传感网络技术为核心的田域环境监测系统,并给出了节点能量优化方案。该系统包括信息采集部分和数据接收部分。信息采集部分由田域环境里布置的终端节点、路由器节点和协调器节点组成,终端节点和路由器节点负责采集空气温湿度,土壤电导率等参数,协调器节点负责汇聚信息。数据接收部分由网关服务器与手机、电脑组成。重点阐述了数据采集部分每层节点的硬件与软件设计,节点能量感知应用还有监测软件开发。试验结果表明:使用了能量感知方法和能效优化方案的网络,生存期最长,传送了更多的数据。系统的设计开发可为精细农业的发展提供数据支持。

关键词： 田域环境 ; ZigBee ; 能量感知 ; 能效优化

Abstract

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.

Keywords： farmland environment ; ZigBee ; energy aware ; energy efficiency

0

PDF (3519KB) 元数据 多维度评价 相关文章 收藏文章

本文引用格式 导出 EndNote Ris Bibtex

侯瑞, 黄亦翔, 张凯, 吕炀, 贡亮. 基于ZigBee和能量感知的田域环境监测系统设计[J]. , 2017, 36(5): 57-60 https://doi.org/

HOU Rui, HUANG Yixiang, ZHANG Kai, LÜ Yang, GONG Liang. Design of Farmland Environment Monitoring System Based on ZigBee and Energy Aware[J]. 实验室研究与探索, 2017, 36(5): 57-60 https://doi.org/

0 引 言

农田是不可增长的自然资源,如何在有限的农田资源基础上,借助先进的科学技术手段提高农田生产效率、经济效益和环境效益已成为我国必须解决的重大课题[1-3]。无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)由低功耗体积小的网络节点通过自组网的方式建立通信连接,它可以应用在很多场合,例如:文献[4]中在农业领域应用WSN预防森林火灾;文献[5]中在地铁环境里建立WSN监测地铁实时环境;文献[6]中把WSN用于实验室安全预警。

目前基于ZigBee WSN在精准农业上应用研究已有很多,但是对于在大规模农田种植领域中的传感器网络路由协议,节能策略却缺少深入研究[7-9]。本文提出的系统基于能量感知和ZigBee无线通信技术,考虑到了节点能量管理和延长网络生存期的问题,提出了能量优化方案,可实现对田域环境信息的远程监测,并且提高了网络的使用寿命。

1 系统总体结构

田域环境WSN系统主要由信息采集端和数据接收端两部分组成。其中信息采集端包括WSN中的终端节点、路由器节点和协调器节点。终端节点使用空气温湿度传感器、土壤水分传感器等采集数据再利用ZigBee近距离无线通信将数据发送至路由器节点。路由器节点不仅负责下级数据的转发,同时也有测量环境的功能。协调器节点负责接收路由器节点传送的数据再利用GPRS模块将数据发送至网关服务器。所有节点由锂电池进行供电,太阳能电池板进行充电。数据接收端由网关服务器和手机、PAD和电脑组成。其中网关服务器用来存储协调器节点发送的环境信息,手机、笔记本移动端可以查看田域环境信息。整个系统结构如图1所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   系统整体结构示意图

   

2 节点硬件设计

信息采集端是由ZigBee技术组成的无线局域网。本文设计的网络可以分成3层,分别对应终端节点、路由器节点和协调器节点。由于每层网络有自己各自的任务,故其结构和电路也会有区别。

2.1 终端节点和路由器节点结构设计

终端节点和路由器节点的处理器芯片是Silicon Labs公司的C8051F340。该芯片所需外围电路少,有两路串口,自带多路10位AD转换接口,充分满足了设计需求[10]。ZigBee无线通信选择鼎泰克公司基于CC2530开发的DRF1605H模块,该模块传输数据稳定,插上天线可在1 km距离内稳定使用,无线频率在标准的2.4 GHz,具有优良的抗干扰性[11]。无线通信模块与处理器芯片通过串口连接。节点的电源由锂电池供电,充电管理芯片采用高输出电流的CN3702,它具有封装外形小、外围元器件少、使用方便简单等优点,可以对单节和多节锂电池进行完整的充电管理[12]。由于芯片和传感器的供电电压不一,故需要DC-DC电源模块,该模块具有升压和降压两种。终端节点和路由器节点的结构如图2所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   终端节点和路由器节点结构图

   

2.2 协调器节点结构设计

协调器节点的结构与终端节点、路由器节点略有不同,其增加了一个GPRS模块,省略了田域环境传感器。GPRS通信采用芯讯通公司的SIM900A模块,SIM900A体积小巧,工作频率有4种,含有TTL电平接口可以与控制器芯片通过串口连接[13]。利用该模块连接远程服务器,将协调器上无线通信模块接收到的数据解析完毕后发送至网关服务器。协调器节点结构如图3所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   协调器节点结构图

   

2.3 能效优化和能量感知电路设计

本系统使用背景是田域环境,由于田域环境布线困难且不实际,故节点的能量是有限的,节约节点能量是必需的。本设计中使用继电器模块,在传感器不工作时,关闭传感器电源,仅令控制器和ZigBee模块有电。继电器模块电路见图4。继电器的两端接锂电池的正极,5号脚接三极管的集电极,三极管基极连接控制器芯片的P3.6,三极管由控制器芯片控制导通闭合,当三极管处于导通状态时,电池电压从继电器的3号脚引出,然后流入DC-DC模块,为传感器供电[14]。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   能效优化电路图

   

本系统中的路由器节点任务多,耗电量也是最大的,所以需要具有能量感知功能,由于控制器芯片引脚耐压值是5 V,电池电压远高于5 V,故需要串联2个电阻进行分压, R20和R21是2个精密电阻,在继电器模块打开之后控制器芯片通过AD转换可读出当前电源剩余电量。节点能量感知电路如图5所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   电源能量感知电路

   

3 节点软件设计

3.1 终端节点程序设计

系统终端节点的主要任务:采集各路传感器的数据,将数据进行AD转换,将转换后的数据发送到路由器节点。为了降低节点能耗,延长无线传感器网络的使用寿命,仅当节点有收发任务时,开启所有模块的供电,否则只保留处理器芯片和CC2530有电。终端节点的工作主流程如图6所示。同时终端节点应该保存路由器节点的能量信息,当某个路由器节点能量过低时,该路由器节点会对下级的节点发送能量信息,终端节点之后的数据应该发送到别的路由器节点,该过程利用中断实现。中断流程如图7所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   终端节点主流程图

   

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7   终端节点中断流程图

   

3.2 路由器节点程序设计

如2.3节所述,路由器节点要承担更多的任务,其能量消耗也是最大的,所以路由器节点应具有监测自身剩余能量的功能,当自身能量低于阈值时,发送消息至下级的节点通知其更换另一个路由器节点,当该路由节点能量重新充满之后发送消息至下级节点,通知其继续发送数据到该路由器节点上[15-16]。路由器节点的工作主流程如图8所示。路由器节点的转发数据功能通过处理器芯片的中断程序实现,当路由器节点收到下级发送的数据后,启动中断程序,进入转发数据状态,中断流程图如图9所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8   路由器节点主流程图

   

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9   路由器节点中断流程图

   

3.3 协调器节点程序设计

协调器节点的主要任务:接收来自路由节点的数据信息,将数据信息进行解包,将解包后的数据通过GPRS模块发送到网关服务器。协调器节点的工作流程图如图10所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10   协调器节点工作流程图

   

4 监测软件开发

数据接收端由网关服务器和监测网页组成。协调器节点上的GPRS模块使用TCP/IP协议与服务器通信。服务器的监听程序接收到数据后,经过数据识别,得知发送数据的原始节点编号,将数据存储到对应的数据库表中。数据库采用SQL Server关系型数据库。用C#语言开发的窗体应用程序可以从数据库表中读取数据。该窗体应用程序界面如图11所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11   数据接收程序界面图

   

基于ASP.NET平台开发的Web应用,用户可通过互联网进行访问,及时地获取田域环境信息。该系统目前已经应用于上海交通大学农业与生物学院的温室中。图12为环境监测Web页面。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图12   环境监测WEB页面

   

5 试验设计与结果

为了检测本系统的节能效果和数据传送是否稳定,设计了3组试验进行对比。第1组试验设计:对所有节点都关闭能效优化和能量感知功能,即开启DC-DC模块一直保持,对传感器持续供电;第2组试验设计:对所有节点都开启能效优化功能,即只在田域环境传感器需要工作时,才开启DC-DC模块,但仍然关闭能量感知功能,即终端节点不会更换上级路由器节点;第3组试验设计:对所有节点都开启能效优化和能量感知功能。3组实验都是在没有太阳能供电,仅对锂电池一次供电的情况下进行的,由于材料有限,设计终端节点和路由器节点都是2个。图13为节点实物图。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图13   节点实物图

   

试验结果显示,在没有太阳能持续供电,对锂电池充满电使用的情况下,第一组方案终端节点和路由器节点生存期明显较短,生存期最长仅能支持20 h,存活最短的节点是承载更多转发任务的路由器节点,而且当该路由器节点耗完电之后也无法转发下级节点的数据,造成数据丢失;第2组方案由于采用了能效优化功能,生存期比第1组方案大大提高,生存期最长的节点可以支持2 d以上的连续工作,但是承担更多转发任务的路由器节点在耗完电之后,下级的终端节点不会改变传送路径,所以造成了一部分数据丢失;而第3组方案由于使用了能量感知功能,当承担更多任务的路由器节点电量低于阈值的时候,下级节点会改变传送路径,平衡了路由器节点的能量消耗,减少了数据的丢失。

6 结 语

本文针对田域环境条件,完成了基于ZigBee技术的田域环境监测网络系统的硬件设计与软件开发,能够实现对田域空气温湿度、土壤湿度等参数的实时采集。通过Web应用,用户可以及时、便捷地了解田域环境信息,并且对无线传感器网络节点使用能效优化和能量感知功能。试验结果证明了节点的生存期相比没有使用能效优化功能的节点更长,并且保证了更多的数据传送量。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

[1] 焦俊,操俊,潘中,等.

基于物联网的农田环境在线监测系统

[J]. 农业工程,2014,4(6):18-23.

DOI:10.3969/j.issn.2095-1795.2014.06.008      URL      [本文引用: 1]      摘要

针对农田环境监测面积大、点 多、时间长的特点,提出基于物联网架构的农田环境监测系统,系统由传感层、传输层和应用层构成。设计开发了以飞思卡尔MC9S12XS128为微处理器的 无线传感器网络节点的硬件电路和太阳能供电系统,编制了协调器与路由器的底层软件,测试了远端服务器与WSN网络单点和多点之间的通信性能。现场试验结果 表明:基于物联网的农田环境监测系统,运行稳定、可靠,为科学预测和科学种植提供了依据。
[2] 赵春江.

对我国未来精准农业发展的思考

[J]. 农业网络信息,2010(4):5-8.

URL     

[3] 陈威,郭书普.

中国农业信息化技术发展现状及存在的问题

[J]. 农业工程学报,2013,29(22):196-205.

DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.22.023      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

围绕农业传感器技术、精细农作技术、农业机器人技术、农业物联网技术和农业信息服务技术五大方面，对农业信息化前沿技术的发展态势进行了分析，同时探讨了中国农业信息化前沿技术发展存在的问题并提出了相应的建议。研究表明，农业传感器技术是农业信息获取与信息化的基础，精细农作技术代表了当今农业装备的先进水平，农业机器人技术是未来农业智能装备的重要方向，农业物联网技术是农业监管与质量监控的有效手段，农业信息服务技术则愈来愈聚焦农业信息服务中的云存储、云计算、云服务和移动互联的关键技术问题。
[4] 周光发.

基于GIS和ZigBee技术的森林防火监测系统

[J]. 实验室研究与探索,2013,32(8):22-24,28.

DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2013.08.007      URL      摘要

研究了以GIS为核心的技术对林区地理信息进行准确定位并计算最佳扑火路径,通过SHT11温湿度传感器采集并结合ZigBee技术利用CC2530模块对林区环境进行远程监控,建立了森林防火监测系统.通过该系统实现面向空间实体及其关系的数据组织、高效海量空间数据的存储与索引,及三维实体建模和分析,实现为林区提供全天候无人值守的监控服务.该系统结构精简,易于扩展,有效地减少了线缆连接,同时通过串口通信实现管理人员对林区的远程可视化监控.
[5] 叶杨婷.

基于ZigBee和GPRS的地铁环境监控系统设计

[J]. 实验室研究与探索,2015,34(12):65-68.

URL      摘要

针对目前地铁环境监测系统采用有线组网方式成本高、灵活性差等问题,提出了一种以Zig Bee无线传感器网络技术为核心的地铁环境监控系统。该系统在地铁隧道内布设了无线传感器终端监测节点,对温度、湿度、烟雾等参数进行采集,通过Zig Bee和GPRS网络传送给远程监控中心,最后通过远程监控中心实时监测现场环境,保证地铁的安全运营。重点阐述了Zig Bee的组网方式、各节点的硬件和软件设计,尤其对Zig Bee协议栈中应用层的事件处理函数的工作流程进行了详细描述。该系统具有结构简单、布局灵活、成本低等优点。实验结果验证了该系统性能稳定,数据传输可靠,具有很好的应用前景。
[6] 郭迎,陈艳,惠飞.

基于无线传感网络的实验室远程监控预警系统

[J]. 实验室研究与探索,2016,35(3):105-109.

[7] 刘媛媛,朱路,黄德昌.

基于GPRS与无线传感器网络的农田环境监测系统设计

[J]. 农机化研究,2013(7):229-232.

DOI:10.3969/j.issn.1003-188X.2013.07.054      URL      [本文引用: 1]      摘要

农田环境信息是现代农业实施精确施肥、灌溉的重要依据。考虑农田覆盖面积大,设计了基于GPRS与ZigBee无线传感器网络的农田环境信息监测系统。该系统包括微型传感器节点、ARM网关和上位机软件。采用CC2530芯片设计微型传感器节点采集区域农田环境信息,传感器节点以树形拓扑的ZigBee网络向协调器传送数据;ARM网关集成协调器和GPRS模块,实现了ZigBee网络与GPRS网络、Internet信息交互,完成了农田环境信息的远程监测。系统可以在大区域内监测农田环境信息,并可将结果在客户端(包括手机、PC等)的上位机软件显示,有效地解决了传统监测系统存在的能量、传输距离受限等问题。
[8] 赵悦,程跃,张宏坤,等.

基于ZigBee的温室测控系统设计

[J]. 实验室研究与探索,2014,33(12):131-134.

[9] 吴华瑞,赵春江,张海辉.

农田无线传感器网络中的簇首轮换机制

[J]. 农业工程学报,2009,25(S2):170-174.

URL      [本文引用: 1]      摘要

在大规模农田无线传感器网络WSN应用中,如何选择最优的网络架构和相应的自组织方式是一个急需研究的问题。在多跳、无线自组织网络AdHoc结构基础之上,针对规模农田面积大、作物生长周期长、传感器节点众多的特点,借鉴生物体内大量细胞生长发育和相互协作的组织机理,提出一种星状网和网状网相结合的分层无线传感器网络拓扑结构和簇首轮换机制,通过簇内控制减少节点与基站远距离的信令交互,降低网络建立的复杂度,减少网络路由和数据处理的开销。
[10] 沈三民,李俊,谭秋林,等.

基于C8051F040的CAN总线技术的多节点通信网络设计

[J]. 仪表技术与传感器,2011(2):60-62.

[本文引用: 1]     

[11] 史艳红,张玉杰.

基于ZigBee和LabVIEW的多地无线温湿度监测系统设计

[J]. 机床与液压,2015,43(22):131-134.

[本文引用: 1]     

[12] 贾科进,王文贞,杜太行,等.

基于ZigBee无线传感器网络的土壤墒情监测系统

[J]. 节水灌溉,2014(3):69-71.

[本文引用: 1]     

[13] 张堃,栾卉,蒋明杰,等.

具有环境监测功能的智能路灯控制系统设计

[J]. 实验室研究与探索,2015,34(12):61-64,81.

DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2015.12.015      URL      [本文引用: 1]      摘要

针对目前城市路灯照明系统的自动化程度不高、电能利用率低以及应对日益恶化环境问题的响应不足等诸多问题,提出了一种具有环境监测功能的智能路灯控制系统。采用STM32F103ZE6嵌入式控制器单片机为主控核心,利用SIM900A建立远程GPRS通信系统以及CC2530组建Zig Bee路灯Mesh网络自组网系统;采用AODVjr路由算法协调Zig Bee网络层,通过环境参数采集单元监测环境参数并控制路灯做出响应。实现了路灯远程自动控制、故障检测、环境参数监测响应、网络自愈及节约能源等功能,采集的环境数据可以为气象部门的预报服务,而无需增设额外的硬件设施。
[14] 张雁琳.

基于Arduino的ZigBee无线传感节点的硬件设计

[J]. 电子设计工程,2015,23(24):162-165.

DOI:10.3969/j.issn.1674-6236.2015.24.049      URL      [本文引用: 1]      摘要

针对传统无线传感节点的成本高、可扩展性差等不足,提出一种基于Arduino开源平台及Zig Bee协议的无线传感节点硬件系统。考虑到系统设计需求,首先给出该传感节点硬件系统的总体框架,然后对硬件系统中的处理器模块、传感器模块、无线通信模块、电源模块的设计给出了具体的方案。该无线传感节点硬件系统能够实现高性能、低成本、低功耗的无线环境数据采集,较传统方法更具有研究和应用价值。
[15] 胡耀锋,张建明,王新胜,等.

能量感知的无线传感器网络多路径路由研究

[J]. 计算机工程与设计,2009,30(21):4811-4814.

URL      [本文引用: 1]      摘要

针对现有多路径路由协议AOMDV的不足,提出了适用于无线传感器网络的能量感知多路径路由协议IMEA。IMEA在建立链路不相关的多路径时能优先建立节点不相关的多路径,在主路径失效时能优先选择与主路径共用节点最少的作为次优路径,而能量感知的路径选择策略能均衡网络中节点的能量消耗,实现数据传输路径的低能耗。对IMEA进行了仿真实验,结果表明IMEA有效延长了网络的生存时间。
[16] 陈志,骆平,岳文静,等.

一种能量感知的无线传感网拓扑控制算法

[J]. 传感技术学报,2013,26(3):382-387.

DOI:10.3969/j.issn.1004-1699.2013.03.018      URL      [本文引用: 1]      摘要

为不平衡能量分布的异构无线传感网构建一种拓扑控制算法EADCA。在该算法中,每个节点根据自己的剩余能量和邻居节点的平均剩余能量计算簇头声明报文发送的理论时刻;在该理论时刻,没收到任何簇头声明报文的节点成为簇头,该簇头广播簇头声明报文;收到簇头声明报文的节点成为普通节点并放弃发送簇头声明报文。同时,该算法在簇头竞争过程中使用经验数据,并对孤立节点和能量过低节点进行休眠。仿真结果表明,EADCA能够延长网络生命周期,有效控制簇头分布密度。
版权所有：《实验室研究与探索》编辑部
主管单位：中华人民共和国教育部    主办单位：上海交通大学    出版单位：上海交通大学学报编辑部
地址：上海市华山路1954号包图1516号    邮编：200030    电话：(86-21)62932952 62932875

/

〈 〉