摘要 針對廣西山區(qū)茶園設(shè)計了依靠節(jié)點自組織特性自動構(gòu)建零通信費的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠定時采集茶園的空氣溫濕度、土壤溫濕度和光照等參數(shù)。該系統(tǒng)除協(xié)調(diào)器外全部使用路由節(jié)點，種植區(qū)按蜂窩狀劃分，每個路由監(jiān)測節(jié)點均布置在蜂窩中心，有效提高了監(jiān)測系統(tǒng)可靠性。在種植區(qū)與監(jiān)控中心之間的非種植區(qū)設(shè)計了路由中繼節(jié)點，用于接力傳送茶園監(jiān)測數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心內(nèi)的協(xié)調(diào)器。節(jié)點硬件電路包括核心板與底板，核心板設(shè)計了CC2530與RFX2401射頻功放，底板設(shè)計了傳感器處理模塊、電源模塊及調(diào)試接口。深入分析了Zstack協(xié)議棧基于事件處理的多任務(wù)構(gòu)架下用戶程序設(shè)計方法。完成了山區(qū)茶園基于ZigBee技術(shù)的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，實現(xiàn)了茶葉種植區(qū)內(nèi)空氣溫、濕度及土壤溫、濕度，光照參數(shù)，CC2530供電電壓和工作溫度的周期采集和傳輸。通過實際運行，整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞 ZigBee;ZStack協(xié)議棧;CC2530;中繼

中圖分類號 S24 "文獻標識碼 A "文章編號 0517-6611（2014）32-11588-05

Design of Wireless Network Monitoring System for Guangxi Mountain Tea Plantation

ZHUGE Tianqiu1， LUO Yuexin1， ZHANG Biao2 et al

（1. Tea Research Institute of Guilin， Guilin， Guangxi 541004; 2. School of Information Science amp; Engineering， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004）

Abstract The paper designs ZigBee wireless network for tea plantation in Guangxi mountain area， which has features of selforganization， selfestablishing and no communication fees. The network can obtain data regularly that contain temperature and relative humidity of ambient and soil， intensity of illumination. The all node of system adopts routing node except coordinator. In order to improving reliability of monitoring systems， the tea plantation is divided into several cellular areas， and the center of each cellular has one routing node for gathering abovementioned parameters. Between tea plantation and monitor center some routing nodes are arranged so that data from tea plantation can relay transmit to coordinator which is in the monitor center. The hardware is consist of core board and baseboard. Module of sensor signal process， power module and debugging interface are equipped in the baseboard. Programming method about Zstack protocol which is based on event process of multitask architecture was analyzed deeply. Stability and reliability of the whole system are confirmed by running actually.

Key words ZigBee; Zstack protocol stack; CC2530; Relay

基金項目 廣西區(qū)科技計劃項目（桂科攻12220112D）;廣西區(qū)教育廳科技項目（桂教科研[2006]26號）;廣西自然科學(xué)基金項目（2013GXNSFBA019277）;桂林市科技攻關(guān)項目（201101095）;桂林市科技攻關(guān)項目（20130110112）。

作者簡介 諸葛天秋（1974-），女，廣西富川人，高級農(nóng)業(yè)經(jīng)濟師，從事茶葉種質(zhì)資源與農(nóng)業(yè)信息化工作。

收稿日期 20141011

為了提高廣西山區(qū)茶園的茶葉品質(zhì)，需要對其環(huán)境參數(shù)進行有效感知，以便及時采取有效措施來實現(xiàn)高效的生產(chǎn)管理。但山區(qū)茶園距離遠，環(huán)境參數(shù)的獲取依靠傳統(tǒng)的人工方式顯然不能滿足要求。針對山區(qū)有機茶園的監(jiān)測現(xiàn)狀，必須采用無線遠程監(jiān)控方式來實現(xiàn)。無線方式分為兩類，一類利用移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，如3G、GSM、GPRS等，這種方式必須支付通信費用，使成本增加。另一類則是利用無線傳感網(wǎng)來實現(xiàn)，其中ZigBee網(wǎng)絡(luò)無需申請許可證即可使用免費2.4 G頻段。對于山區(qū)茶園，使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)不僅可以克服偏遠地區(qū)移動通信網(wǎng)信號不穩(wěn)定的缺點，更重要的是無需支付任何通信費用。由于茶樹喜歡溫暖、潮濕、陰蔽的環(huán)境，其生長需要適當?shù)臏囟?、水分、光照和土壤條件，確定采集參量共5個，分別為土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度和光照度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對山區(qū)茶園監(jiān)測要求，設(shè)計了一個組網(wǎng)方便且可采集多種參量的監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于茶葉種植區(qū)域按蜂窩劃分，每個路由監(jiān)測節(jié)點位于一個蜂窩的中心，均采集空氣及土壤溫、濕度和光照度參數(shù)，系統(tǒng)依靠節(jié)點的自組織特性自動組建成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。路由中繼節(jié)點不實現(xiàn)采集任務(wù)，但增加了射頻功率放大（PA）模塊，使無線信號傳輸距離超過1 km，通過多次中繼后采集數(shù)據(jù)可以傳送到距茶園較遠，且安裝在監(jiān)控中心內(nèi)的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再經(jīng)串口將所有檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到上位計算機進行顯示和處理。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心是ZigBee節(jié)點，ZigBee標準中定義的節(jié)點具有通用性，每個節(jié)點都具備參數(shù)采集、路由和協(xié)調(diào)器功能，具體成為何種節(jié)點只需軟件配置，一旦節(jié)點配置為終端節(jié)點，該節(jié)點就喪失了路由功能。當配置為路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器節(jié)點時仍可實現(xiàn)參數(shù)采集功能，這是由用戶編寫的軟件代碼決定的。由于每個ZigBee子網(wǎng)只能有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，因此該項目除配置一個協(xié)調(diào)器節(jié)點外，其他全部為路由節(jié)點，沒有使用終端節(jié)點，這樣即使發(fā)生多個節(jié)點故障也不會造成采集系統(tǒng)失效，可顯著提高監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的可靠性。但路由節(jié)點需對其他節(jié)點發(fā)來的信息存儲、融合和轉(zhuǎn)發(fā)，會使其數(shù)據(jù)吞吐量增加，不過茶園監(jiān)測數(shù)據(jù)量小，監(jiān)測間隔時間較長，這樣實現(xiàn)完全可行。

該項目最終確定茶葉種植區(qū)內(nèi)配置為路由節(jié)點，兼有參量采集和路由功能，故此稱為路由監(jiān)測節(jié)點，用于采集土壤溫度、濕度及空氣溫度、濕度和光照共5個參數(shù);采集間隔時間為20 min。由于山區(qū)茶葉種植區(qū)距離監(jiān)控中心較遠，約有數(shù)公里，因此還配置了另一類路由節(jié)點，在此命名為路由中繼節(jié)點，該類節(jié)點不具備參數(shù)采集功能，實現(xiàn)電路上增加功率放大模塊，實現(xiàn)茶園采集數(shù)據(jù)接力傳輸至遠端協(xié)調(diào)器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件的核心是ZigBee節(jié)點，為提高節(jié)點硬件通用性并降低印刷電路板開模成本，每個節(jié)點都包含兩塊印制板：核心板和底板。高頻部分，即ZigBee模塊CC2530和射頻功放模塊RFX2401單獨設(shè)計成核心板，該核心板有兩種，協(xié)調(diào)器和路由中繼節(jié)點使用帶射頻功放模塊RFX2401，路由采集節(jié)點的核心板不帶射頻功放模塊。底板是所有節(jié)點通用的，對于路由中繼節(jié)點和協(xié)調(diào)器則不連接傳感器模塊。

該系統(tǒng)ZigBee節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個節(jié)點由CC2530、射頻功率放大模塊RFX2401、傳感器模塊、串行接口及電源模塊組成。傳感器模塊負責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域的信息;CC2530是整個節(jié)點的中樞，主要負責(zé)建立，維護通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線信號傳輸;傳感器數(shù)據(jù)采集、處理、轉(zhuǎn)發(fā)和識別控制信息并進行控制等功能;射頻功放模塊實現(xiàn)無線信號遠距離雙向傳輸;串行接口對協(xié)調(diào)器實現(xiàn)節(jié)點與上位機通信，對路由節(jié)點則用于硬件測試;電源模塊負責(zé)節(jié)點供電。

2.2 核心板電路設(shè)計

CC2530是一款SOC芯片，符合ZigBee標準。CCC2530具有較寬的工作電壓（2.0～3.6 V），功

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

耗低，適合電池供電，它片內(nèi)集成了射頻收發(fā)模塊、增強型51內(nèi)核、8路12位ADC、2個多功能串行口、21個I/O。CC2530內(nèi)置的射頻收發(fā)模塊通信距離有限，在空曠區(qū)域可達100 m，有障礙區(qū)域只有50～60 m，使用RFX2401模塊可使通信距離增加到600 m，若再配合高增益的9 dBi天線則通信距離超過1 km。該設(shè)計將CC2530+RFX2401模塊用作路由中繼節(jié)點，核心板電路主體部分如圖3所示。CC2530的P1.1、P1.2連接RFX2401收、發(fā)使能端;P0.0、P0.1、P0.2用于連接模擬輸出傳感器（光照度，土壤溫、濕度）;P2.1、P2.2連接數(shù)字輸出傳感器（空氣溫、濕度）;P1.4、P1.5用于串口通信;P1.6、P1.7、P2.0用于通信測試。

2.3 底板電路設(shè)計

底板電路連接核心板與傳感器，可將核心板控制命令傳遞給各個傳感器，還能將傳感器輸出的模擬或數(shù)字信號送入CC2530芯片進行AD轉(zhuǎn)換或直接讀取。底板上含串行通信插座，指示網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)的LED指示燈和測試按鍵，可用于程序調(diào)試和協(xié)調(diào)器與上位機通信。系統(tǒng)供電由底板輸入，采用可充電電池，經(jīng)1117M3電壓轉(zhuǎn)換芯片獲得3.3 V電壓給CC2530和RFX2401模塊供電。

2.4 傳感器模塊設(shè)計

茶園種植區(qū)內(nèi)每個路由監(jiān)測節(jié)點需要采集空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度、供電電壓和核心板溫度共7個參數(shù)，共采用4種傳感器，其中核心板溫度和供電電壓由CC2530內(nèi)部直接接入AD轉(zhuǎn)換器，無需外部接口;路由中繼節(jié)點只采集電池供電電壓和核心板溫度;協(xié)調(diào)器節(jié)點位于控制室內(nèi)只檢測核心板溫度。由于各路由節(jié)點均為電池供電，傳感器選擇都遵循低功耗、低供電電壓原則。4種傳感器的輸出信號分為兩類：模擬輸出和數(shù)字輸出。模擬輸出傳感器連接到CC2530的AD 輸入端P0.0、P0.1、P0.2，空氣溫濕度是數(shù)字輸出傳感器連接到CC2530的I/O P2.1、P2.2上。傳感器模塊電路如圖4所示，限于圖幅大小，圖中僅給出檢測與處理電路。

空氣溫濕度傳感器采用SHT71，該傳感器供電電壓低，功耗低，適用于電池供電系統(tǒng)，可同時測量空氣溫度和濕度，輸出為數(shù)字信號，共4個引腳，分別為SCK（串行時鐘線）、DATA（串行數(shù)據(jù)線）及電源和地，CC2530使用P2.1、P2.2分別連接SHT71的DATA和SCK引腳讀取空氣溫、濕度的值。此處DATA信號為開漏輸出需接10 kΩ上拉電阻。土壤濕度檢測采用TDSWR2傳感器，可埋入土壤中對土壤水分進行定點長期監(jiān)測。相對測量范圍0～100%，輸出0～2.5 V模擬信號，供電電壓可低至2.7 V。電纜標準長度5 m，TD

圖3 CC2530核心原理

圖4 空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照傳感器電路原理示意

SWR2測得的土壤濕度模擬量經(jīng)運放LF356同相比例變換進入CC2530的AD端P0.0腳。土壤溫度傳感器采用ST100，該傳感器耐腐蝕，功耗低，密封性好，0～1 030 mV模擬信號，測量范圍-30～70 ℃，0 ℃以上精度為0.1 ℃，其輸出的模擬信號也經(jīng)運放同相比例變換后接入CC2530的AD輸入端P0.1腳。使用運放進行同相比例變換是為了把傳感器模擬信號輸出范圍轉(zhuǎn)換到CC2530參考電壓范圍內(nèi)（該設(shè)計參考電壓由CC2530 AVDD5腳輸入，為3.3 V）。光照度傳感器選用硅光電池，由于硅光電池輸出為微弱的電流信號，需經(jīng)后級運放放大，第1個運放用于將光電池輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，第2個運放作用與前面相同就是將輸出電壓信號轉(zhuǎn)換到0～3.3 V參考電壓范圍內(nèi)，圖4中的50、150 kΩ電位器是為了方便調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。此外，傳感器模塊還檢測CC250工作電壓和芯片溫度，這兩個模擬量輸入端已集成在CC2530的AD輸入端內(nèi)，只需軟件設(shè)置就可檢測工作電壓和芯片溫度。

3 應(yīng)用軟件設(shè)計

3.1 Zstack協(xié)議棧用戶編程概述

采用CC2530構(gòu)建的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，其軟件系統(tǒng)是建立在TI公司開發(fā)的Zstack協(xié)議棧上的。Zstack協(xié)議棧本質(zhì)上是ZigBee協(xié)議的具體實現(xiàn)形式，同時也是ZigBee協(xié)議和用戶之間接口，用戶通過使用協(xié)議棧來實現(xiàn)協(xié)議。按照現(xiàn)代軟件分層設(shè)計的思想，TI在Zstack協(xié)議棧中實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議物理層，MAC層和網(wǎng)絡(luò)層，但實現(xiàn)代碼不公開，用戶程序則在應(yīng)用層上開發(fā)，需要使用底層時可調(diào)用Zstack協(xié)議棧提供的API函數(shù)。

在Zstack協(xié)議棧中，用戶只需實現(xiàn)應(yīng)用程序框架，應(yīng)用程序框架最多包含240個應(yīng)用程序?qū)ο?，每個應(yīng)用程序?qū)ο缶褪且粋€任務(wù)，每個任務(wù)又可以響應(yīng)1個系統(tǒng)事件和15個用戶事件，可見應(yīng)用程序框架包含一個支持多任務(wù)的資源分配機制，因此ZStack協(xié)議棧提供一個OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）來調(diào)度程序，OSAL實現(xiàn)了操作系統(tǒng)才具備的以多任務(wù)為核心的任務(wù)調(diào)度及系統(tǒng)資源管理。因此CC2530與常規(guī)單片機編程方式完全不同，必須通過創(chuàng)建OSAL任務(wù)來運行應(yīng)用程序，而且用戶程序設(shè)計就是通過對例程代碼修改、增刪而實現(xiàn)的。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) " " " " " " " " " " " " 2014年

3.2 用戶任務(wù)工作流程

該項目設(shè)計的用戶任務(wù)在Zstack協(xié)議棧中的工作流程如圖5所示。其中“系統(tǒng)初始化”由函數(shù)osal_init_system（）實現(xiàn)，該函數(shù)內(nèi)又包含6個初始化函數(shù)，其中任務(wù)初始化函數(shù)osalInitTasks（）是用戶程序必須修改的，該設(shè)計在該函數(shù)最后增加用戶任務(wù)初始化函數(shù)SampleApp_Init（taskID ），該函數(shù)內(nèi)部分配任務(wù)號，初始化串行口，設(shè)置周期信息廣播地址和周期信息單播地址。周期信息廣播目標地址為0xFFFF，用于協(xié)調(diào)器向所有路由節(jié)點廣播信息;周期信息單播地址為0x0000，用于路由節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息。運行操作系統(tǒng)由函數(shù)osal_start_system（）實現(xiàn)，該函數(shù)是任務(wù)系統(tǒng)輪詢函數(shù)，永遠不會返回，它負責(zé)查找發(fā)生的事件，然后調(diào)用相應(yīng)任務(wù)對該發(fā)生事件的處理函數(shù)，該函數(shù)中核心語句“events= tasksEvents[idx];”用來提取需要處理的任務(wù)事件，另一核心語句“events =（tasksArr[idx]）（idx，events）;”通過指針調(diào)用相應(yīng)事件的任務(wù)處理函數(shù)。如果沒有事件發(fā)生，CC2530 會自動進入省電模式。

圖5 用戶任務(wù)工作流程

3.3 節(jié)點軟件設(shè)計

3.3.1 串口通信程序設(shè)計。

串口在用戶程序開發(fā)中有著非

常重要的作用，它是Zstack協(xié)議棧與上位機的通信接口，可把ZigBee各節(jié)點數(shù)據(jù)傳入計算機，也可接收上位計算機數(shù)據(jù)包再轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點，主要用在協(xié)調(diào)器與上位機雙向通信，另一重要用途則是作為節(jié)點程序調(diào)試接口。在CC2530中使用串口與普通單片機不同，需要在Zstack協(xié)議棧中加入串口功能，使其納入OSAL統(tǒng)一管理中。

串口使用前需要兩個初始化步驟：①串口初始化（設(shè)置波特率，是否使用流控制等），②登記任務(wù)號，如圖5所示這兩個步驟是在用戶任務(wù)初始化函數(shù)SampleApp_Init（TaskID）進行的。由于串口已經(jīng)封裝在協(xié)議棧中，節(jié)點向串口發(fā)送數(shù)據(jù)包只需調(diào)用函數(shù)HalUARTWrite（uint8 port，uint8 *buf，uint16 len），其中port指串口號，該設(shè)計使用串口0;*buf是數(shù)組緩沖區(qū)指針，節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)需提前寫入這個緩沖區(qū)中;len指字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)長度。上位機下發(fā)數(shù)據(jù)包到節(jié)點可由用戶設(shè)定通信幀格式，該設(shè)計采用的幀格式為：“幀頭+地址+命令字+數(shù)據(jù)長度+數(shù)據(jù)包+校驗+幀尾”，然后將串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)“MT_UartProcessZToolData（…）”根據(jù)自定義幀格式修改為有限狀態(tài)機方式接收模式，實現(xiàn)過程如圖6所示，其中，正確接收幀尾，調(diào)用函數(shù)osal_msg_send（...）將數(shù)據(jù)包發(fā)送到OSAL層非常重要，調(diào)用該函數(shù)后，會產(chǎn)生觸發(fā)用戶任務(wù)的事件，響應(yīng)觸發(fā)事件時，協(xié)調(diào)器就可以調(diào)用AF_DataRequest（…）函數(shù)把串口接收的數(shù)據(jù)包發(fā)給路由節(jié)點了。

圖6 有限狀態(tài)機實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)幀接收

3.3.2 協(xié)調(diào)器通信程序設(shè)計

該項目中協(xié)調(diào)器可以通過串口收發(fā)上位機數(shù)據(jù)，還可接收路由節(jié)點上傳的監(jiān)測信息，而且協(xié)調(diào)器能以廣播方式發(fā)數(shù)據(jù)包給路由節(jié)點，主要實現(xiàn)兩個廣播功能：①上位機通過協(xié)調(diào)器設(shè)置各路由監(jiān)測節(jié)點周期采集監(jiān)測信息的周期值，一經(jīng)設(shè)置路由監(jiān)測節(jié)點就按新的監(jiān)測周期采集數(shù)據(jù)然后以單播方式上傳協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到監(jiān)測數(shù)據(jù)后立刻上傳上位計算機進行顯示和處理。②上位機通過協(xié)調(diào)器獲取路由監(jiān)測節(jié)點是否正常連接在網(wǎng)絡(luò)上，這是通過發(fā)送廣播命令獲取各路由節(jié)點設(shè)備號（用戶程序定義的節(jié)點編號）實現(xiàn)的，每個收到該命令的路由節(jié)點以單播方式發(fā)送各自的節(jié)點編號給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖7所示。

3.3.3 路由節(jié)點通信程序設(shè)計。

路由節(jié)點采用單播（點對點）方式定時向協(xié)調(diào)器傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)。定時時間由協(xié)調(diào)器設(shè)定。因此二者程序代碼完全類似，只是目標地址不同。此外，所有節(jié)點都要實現(xiàn)串口通信，數(shù)據(jù)包的收、發(fā)，各參量的監(jiān)測，模數(shù)轉(zhuǎn)換及協(xié)調(diào)器與上位機通信都要使用串口進行調(diào)試。下面給出核心函數(shù)處理過程。節(jié)點應(yīng)用軟件運行流程如圖8所示。由圖7、8可知，無論單播通信還是廣播通信都使用函數(shù)AF_DataRequest（ afAddrType_t *dstAddr，endPointDesc_t *srcEP，uint16 cID，uint16 len，uint8 *buf，int8 *transID，uint8 options，uint8 radius ），單播與廣播方式由第1參數(shù)（目的地址）、第3個參數(shù)（傳輸編號）決定，單播時路由節(jié)點發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，目的地址=0x0000;廣播時協(xié)調(diào)器發(fā)送信息給所有路由節(jié)點，目的地址=0xFFFF。傳輸編號由用戶程序定義，只需單播與廣播定義不同的傳輸編號。

圖7 協(xié)調(diào)器用戶軟件運行流程

圖8 路由節(jié)點用戶軟件運行流程

4 結(jié)語

該研究完成了山區(qū)茶園基于ZigBee技術(shù)的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，實現(xiàn)了茶葉種植區(qū)內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度及光照參數(shù)、CC2530供電電壓和工作溫度的周期采集和傳輸。在Zstack協(xié)議棧應(yīng)用層編寫了基于事件處理的用戶程序，實現(xiàn)的主要功能包括：協(xié)調(diào)器及路由節(jié)點與上位計算機雙向通信;協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點（路由監(jiān)測節(jié)點，路由中繼節(jié)點）的廣播通信;路由節(jié)點與協(xié)調(diào)器的周期單播通信。系統(tǒng)經(jīng)實際運行已證實：無線監(jiān)測網(wǎng)路可靠性高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，而且無須支付通信費，整體性能達到預(yù)期設(shè)計目標。

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