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摘 要：基于ZigBee协议的无线传感器网络技术因近距离、延时短、网络容量大、可扩充能力强、安全可靠度高、功耗成本低等优点，成为环境监测首选方案。本文设计一种基于ZigBee协议无线传感器网络的远程土壤种植环境监测系统，具有土壤环境的温湿度，光强以及传感器节点的电量的实时监测功能，当环境温湿度，光强超出阈值，系统还具有警报提醒功能。同时结合云平台技术，实现了温湿度，光强及传感器节点电量远程监控，进行环境实时调节，实现种植环境精准监测。该系统具有多角度精确感知，动态性、可靠性强、监测范围广等特点。
关键词：无线传感器网络;土壤环境;远程监测;云平台
引言
全球绝大多数的可供人类健康食用的食物来源于农作物，而这些农作物又产自可耕种的土壤，在世界上，可耕种的土壤仅仅占土地面积很小的一部分。以我国为例，仅用不到8%的土壤养活了世界近四分之一的人口。目前，可耕种的土壤面积在逐渐减少，农业生产上技术水平低，生产低效，造成各种浪费和污染[1，2]。例如很多设备在进行对农业数据采集时都有着非常高的功率损耗问题，这使得信息化系统在农业领域上的实际使用上受到很大的限制。同时在农业领域实现信息化过程中经常出现信息共享不够，数据传输差等问题，难以符合社会发展对在农业实现信息化的要求。
我国地理位置、人文和自然环境等条件非常复杂，地区与地区之间的经济差距很大;大多数农民对农业信息化的认识远远不够。因此如何针对这些问题进行有效地处理，重视土壤的种植环境，使土壤在未来能够可持续地被使用势在必行，这对农业信息化有非常大的价值[3，4]。
一、系统方案
本文就土壤环境设计一套以Zigbee为硬件平台的监测系统，本系统采用了多个传感器采集土壤温湿度、光照等数据，并就土壤最佳生长环境为依据，对土壤环境进行监控。并将数据存放于云端，利用硬件平台内部芯片测量各个节点电量，对电量进行监控。当环境异常时，系统具有自动调节功能，并将数据发送至管理员，便于管理。在该系统中选用DHT11来检测温湿度，用光敏电阻测算土壤环境光强。通过上位机接收测量数据能上传至PC端并显示，利用WIFI将数据上传至Net云平台，实现远程监测，其方案如图1所示。
二、系统原理
2.1 ZigBee技术
ZigBee技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。由多个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展[5]。
每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。
完整的ZigBee 协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，层与层之间通过接口进行访问。本系统的无线网络有Zigbee协调器和Zigbee终端节点组成。而程序主要包括协调器组网和终端节点入网设计。
2.2 OneNet云平台
云平台是基于硬件的服务，可对处于物联网的设备进行远程管理[6]。硬件设备和消息能通过MQTT协议等多个协议接入OneNet云平台，这使得该平台能支持各种类型的通信网络。OneNet云平台还管理监控接入智能设备的情况，如网络状态，在本文采用WIFI通信方式。
2.3 WIFI通信
WIFI通信采用Esp8266模块，该模块首先系统初始化，然后自动搜索附近的WIFI，并且尝试连接最近WIFI，直到连接为止。同时WIFI模块通过解析程序设定URL，得到所需信息。最后程序定时发送所测量好的数据给云平台，如图2所示。
三、系统实现
系统首先进行初始化配置，协调器就会等待是否有新的传感器节点接入网络，节点会被分配到相应网络地址，此时终端节点测量数据并将测量好的数据发送协调器，如果协调器处于ON状态则会获取该节点的数据，否则获取下一个节点的数据。
这些测得的数据通过协调器显示，同时PC端显示。协调器通过ESP8266模块将数据发送至云平台，手机APP可从云平台下载数据并数据。
3.1程序设计实现
（1）温湿度测量
采用DHT11模块进行温湿度数据的采集，与不同的MCU进行通信采用单总线数据格式[7]。进行传输分五组：湿度和温度有整数和小数部分，最后校验数据，数据共八位。
（2）光强测量
采用光敏电阻模块进行温湿度数据的采集[8]。光敏电阻会随着光照强度的变化而变化，此时只需要通过Zigbee上的ADC测量光敏电阻上的电压就能得知光强的变化。
（3）Zigbee通信
利用协议栈，Zigbee协调器首先要进行初始化，随后组建网络，各个传感器节点就会搜索这个网络并加入，然后节点通过内部发送函数，将测量数据发送协调器，协调器则通过内部函数接收数据。
3.2上位机设计
上位机软件设计是通过Visual Basic实现[9]。Zigbee是通过串口与PC端进行通信的，MSCOMM是Visual Basic内部的一个控件。这个控件是专门用于串口数据通信，它具备发送和接收功能。其次再通过TextBox、Label和ComboBox等组件构建用户界面。
3.3 App设计
APP采用Android studio平台，界面设置是在xml文件上完成，选用相对布局方式设置界面的长宽高，利用TextView、EditText、Button等组件实现相应的功能。利用socket套接字进行网络通信，连接云服务器。连接服务器时，需要识别IP和端口号。
四、结论
本文利用ZigBee协议技术设计实现土壤环境监测，实现对环境参数的采集和监测。相比单点检测方式，检测到的数据更为全面、准确。同时采用了液晶显示技术，能将数据很清晰地显示出来。同时采用上位机和手机APP，数据可以在多个平台上显示，方便數据查看。系统还利用了WIFI通信技术及云平台， WIFI模块将测得参数传送给OneNet云平台，用手机APP接收数据，实现了远程监测的功能。
参考文献：
[1]张启忠. 应用于土壤环境监测的传感器若干理论与技术研究[D].浙江大学，2009.
[2]李鹏超. 基于ZigBee无线传感器网络的农业大田数据监测系统设计与实现[D].长安大学，2018.
[3]刘长勇. 基于无线传感器网络的农业温湿度环境监测系统研究与实现[D].黑龙江大学，2012.
[4]李鹏. 基于物联网的温室环境监控管理系统设计[D].江西理工大学，2015.
[5]张浩. 基于ZigBee技术环境监测系统的研究[D].曲阜师范大学，2018.
[6] 崔佳宁. 基于OneNet云平台的老年公寓健康监测系统研究[D].华北理工大学，2018.
[7]王帅. 基于S3C2440A的粮情温湿度测控系统设计[D].武汉轻工大学，2015
[8] 马爱霞， 梁妍. 光敏电阻及其应用[J]. 科技资讯， 2017， 000（014）：33，35.
[9] 马兴，童卓，周丽娟.基于VB的PC机与单片机间串口通讯及程序设计[J].兵工自动化，2010，29（10）：94-96.
作者简介：
肖建明（1973—），男，江西萍乡人，汉族，讲师，研究方向：信号处理;计算机应用。
通信作者：严素清。
关键词：无线传感器网络;土壤环境;远程监测;云平台
引言
全球绝大多数的可供人类健康食用的食物来源于农作物，而这些农作物又产自可耕种的土壤，在世界上，可耕种的土壤仅仅占土地面积很小的一部分。以我国为例，仅用不到8%的土壤养活了世界近四分之一的人口。目前，可耕种的土壤面积在逐渐减少，农业生产上技术水平低，生产低效，造成各种浪费和污染[1，2]。例如很多设备在进行对农业数据采集时都有着非常高的功率损耗问题，这使得信息化系统在农业领域上的实际使用上受到很大的限制。同时在农业领域实现信息化过程中经常出现信息共享不够，数据传输差等问题，难以符合社会发展对在农业实现信息化的要求。
我国地理位置、人文和自然环境等条件非常复杂，地区与地区之间的经济差距很大;大多数农民对农业信息化的认识远远不够。因此如何针对这些问题进行有效地处理，重视土壤的种植环境，使土壤在未来能够可持续地被使用势在必行，这对农业信息化有非常大的价值[3，4]。
一、系统方案
本文就土壤环境设计一套以Zigbee为硬件平台的监测系统，本系统采用了多个传感器采集土壤温湿度、光照等数据，并就土壤最佳生长环境为依据，对土壤环境进行监控。并将数据存放于云端，利用硬件平台内部芯片测量各个节点电量，对电量进行监控。当环境异常时，系统具有自动调节功能，并将数据发送至管理员，便于管理。在该系统中选用DHT11来检测温湿度，用光敏电阻测算土壤环境光强。通过上位机接收测量数据能上传至PC端并显示，利用WIFI将数据上传至Net云平台，实现远程监测，其方案如图1所示。
二、系统原理
2.1 ZigBee技术
ZigBee技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。由多个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展[5]。
每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。
完整的ZigBee 协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，层与层之间通过接口进行访问。本系统的无线网络有Zigbee协调器和Zigbee终端节点组成。而程序主要包括协调器组网和终端节点入网设计。
2.2 OneNet云平台
云平台是基于硬件的服务，可对处于物联网的设备进行远程管理[6]。硬件设备和消息能通过MQTT协议等多个协议接入OneNet云平台，这使得该平台能支持各种类型的通信网络。OneNet云平台还管理监控接入智能设备的情况，如网络状态，在本文采用WIFI通信方式。
2.3 WIFI通信
WIFI通信采用Esp8266模块，该模块首先系统初始化，然后自动搜索附近的WIFI，并且尝试连接最近WIFI，直到连接为止。同时WIFI模块通过解析程序设定URL，得到所需信息。最后程序定时发送所测量好的数据给云平台，如图2所示。
三、系统实现
系统首先进行初始化配置，协调器就会等待是否有新的传感器节点接入网络，节点会被分配到相应网络地址，此时终端节点测量数据并将测量好的数据发送协调器，如果协调器处于ON状态则会获取该节点的数据，否则获取下一个节点的数据。
这些测得的数据通过协调器显示，同时PC端显示。协调器通过ESP8266模块将数据发送至云平台，手机APP可从云平台下载数据并数据。
3.1程序设计实现
（1）温湿度测量
采用DHT11模块进行温湿度数据的采集，与不同的MCU进行通信采用单总线数据格式[7]。进行传输分五组：湿度和温度有整数和小数部分，最后校验数据，数据共八位。
（2）光强测量
采用光敏电阻模块进行温湿度数据的采集[8]。光敏电阻会随着光照强度的变化而变化，此时只需要通过Zigbee上的ADC测量光敏电阻上的电压就能得知光强的变化。
（3）Zigbee通信
利用协议栈，Zigbee协调器首先要进行初始化，随后组建网络，各个传感器节点就会搜索这个网络并加入，然后节点通过内部发送函数，将测量数据发送协调器，协调器则通过内部函数接收数据。
3.2上位机设计
上位机软件设计是通过Visual Basic实现[9]。Zigbee是通过串口与PC端进行通信的，MSCOMM是Visual Basic内部的一个控件。这个控件是专门用于串口数据通信，它具备发送和接收功能。其次再通过TextBox、Label和ComboBox等组件构建用户界面。
3.3 App设计
APP采用Android studio平台，界面设置是在xml文件上完成，选用相对布局方式设置界面的长宽高，利用TextView、EditText、Button等组件实现相应的功能。利用socket套接字进行网络通信，连接云服务器。连接服务器时，需要识别IP和端口号。
四、结论
本文利用ZigBee协议技术设计实现土壤环境监测，实现对环境参数的采集和监测。相比单点检测方式，检测到的数据更为全面、准确。同时采用了液晶显示技术，能将数据很清晰地显示出来。同时采用上位机和手机APP，数据可以在多个平台上显示，方便數据查看。系统还利用了WIFI通信技术及云平台， WIFI模块将测得参数传送给OneNet云平台，用手机APP接收数据，实现了远程监测的功能。
参考文献：
[1]张启忠. 应用于土壤环境监测的传感器若干理论与技术研究[D].浙江大学，2009.
[2]李鹏超. 基于ZigBee无线传感器网络的农业大田数据监测系统设计与实现[D].长安大学，2018.
[3]刘长勇. 基于无线传感器网络的农业温湿度环境监测系统研究与实现[D].黑龙江大学，2012.
[4]李鹏. 基于物联网的温室环境监控管理系统设计[D].江西理工大学，2015.
[5]张浩. 基于ZigBee技术环境监测系统的研究[D].曲阜师范大学，2018.
[6] 崔佳宁. 基于OneNet云平台的老年公寓健康监测系统研究[D].华北理工大学，2018.
[7]王帅. 基于S3C2440A的粮情温湿度测控系统设计[D].武汉轻工大学，2015
[8] 马爱霞， 梁妍. 光敏电阻及其应用[J]. 科技资讯， 2017， 000（014）：33，35.
[9] 马兴，童卓，周丽娟.基于VB的PC机与单片机间串口通讯及程序设计[J].兵工自动化，2010，29（10）：94-96.
作者简介：
肖建明（1973—），男，江西萍乡人，汉族，讲师，研究方向：信号处理;计算机应用。
通信作者：严素清。