張 瑩

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714099)

電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了農(nóng)業(yè)信息化水平的提高，以信息網(wǎng)絡(luò)為中心的智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等一系列新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn).通過(guò)大量遍布于農(nóng)田、溫室大棚等目標(biāo)區(qū)域的傳感器，實(shí)時(shí)采集諸如溫度、濕度、光照、有害氣體濃度、土壤水分及pH值等信息并匯總到控制中心，由專(zhuān)家決策系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，根據(jù)需要控制相關(guān)設(shè)備進(jìn)行調(diào)溫、調(diào)光、澆灌、換氣，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的智能化控制，從而有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量.［1］傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用RS-485和現(xiàn)場(chǎng)總線布網(wǎng)，布線麻煩，安裝、維護(hù)成本高且擴(kuò)展不易.針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案，解決了上述傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)組網(wǎng)過(guò)程中的一系列問(wèn)題，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平.

1 ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee即IEEE802.15.4，是一種介于無(wú)線標(biāo)識(shí)和藍(lán)牙之間的無(wú)線通信技術(shù)，具有低成本、低功耗、近距離、易應(yīng)用等特點(diǎn).它采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，以2.4 GHz為主要頻段，在數(shù)千個(gè)微小傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信，通過(guò)無(wú)線電波以接力的方式傳遞數(shù)據(jù)，形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).IEEE802.15.4定義了三種設(shè)備類(lèi)型:協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，這三者的硬件結(jié)構(gòu)相同，通過(guò)軟件配置不同的設(shè)備功能.1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，最多支持65 535個(gè)終端節(jié)點(diǎn).［2］終端節(jié)點(diǎn)連接著各種類(lèi)型的傳感器，將采集到的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送到協(xié)調(diào)器，在空曠地帶其傳輸距離可達(dá)上百米.若需擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍或增加傳輸距離，可在網(wǎng)絡(luò)中增加路由器以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的中繼轉(zhuǎn)發(fā).按照不同的應(yīng)用環(huán)境，ZigBee支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型、網(wǎng)狀和簇狀，本設(shè)計(jì)中選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

2 總體設(shè)計(jì)方案

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用系統(tǒng)由無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和控制中心兩部分組成，如圖1所示.大量分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、有害氣體濃度等農(nóng)情信息并以無(wú)線方式發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)經(jīng)由以太網(wǎng)傳輸至控制中心，控制中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析以及處理后，由專(zhuān)家決策系統(tǒng)發(fā)出反饋指令，以此構(gòu)建出包含完整的、信息可控的采集—傳輸—處理—決策—反饋控制等一系列流程的應(yīng)用系統(tǒng).

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無(wú)線通信模塊

目前，常見(jiàn)的ZigBee無(wú)線通信解決方案有兩種，即ZigBee芯片+MCU解決方案和單芯片解決方案.［3］為簡(jiǎn)化電路，設(shè)計(jì)中選擇第二種方案.CC2530是由TI公司推出的第二代ZigBee無(wú)線射頻芯片，運(yùn)行ZigBee2007協(xié)議棧ZStack，工作電壓范圍為2.0～3.6 V.作為高度集成的解決方案，CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF(Radio Frequency)收發(fā)器以及增強(qiáng)型單周期8051內(nèi)核，內(nèi)部Flash容量可選，支持系統(tǒng)在線編程，傳感器可通過(guò)單總線與CC2530的I/O端口連接，其典型應(yīng)用電路如圖2所示.

圖2 CC2530的典型應(yīng)用電路

3.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)議、地址的轉(zhuǎn)換和路由等功能，負(fù)責(zé)將協(xié)調(diào)器收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)傳輸給控制中心，同時(shí)也用于將控制中心的指令發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)，工作任務(wù)繁雜，接口電路較為復(fù)雜且需要有完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持.因此，在硬件選型上采用以32位微處理器AT91ARM9200為核心的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)中使用核心板(CPU+SDRAM+FLASH)加底板(外圍接口電路)的硬件組成方案，要滿(mǎn)足不同需求的應(yīng)用，只需增加功能底板上的接口電路即可，如圖3所示.

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)關(guān)軟件、ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件和上位機(jī)界面三個(gè)部分.其中，網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)主要包括基于AT91ARM9200微處理器的ARM-Linux軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的建立以及數(shù)據(jù)串口收發(fā)程序的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法可參考文獻(xiàn)［4］.

4.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)使用IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境在ZStack-CC2530-2.3.0.1.4.0協(xié)議棧基礎(chǔ)上完成.ZStack協(xié)議棧是ZigBee網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議的集合，以函數(shù)的形式出現(xiàn)，并提供給用戶(hù)應(yīng)用層的應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface，API)，只需在應(yīng)用層函數(shù)中加入傳感器的讀取函數(shù)就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā).［5］

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù).上電初始化后，協(xié)調(diào)器會(huì)選擇一個(gè)空閑信道建立并偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器將為該終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址并允許其加入網(wǎng)絡(luò).組網(wǎng)結(jié)束后，協(xié)調(diào)器接收來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)RS232接口傳送給網(wǎng)關(guān)，軟件設(shè)計(jì)流程如圖4(a)所示.

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，在上電初始化后，終端節(jié)點(diǎn)掃描信道并選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)加入，成功入網(wǎng)后，進(jìn)入休眠狀態(tài)，由定時(shí)器按照一定的時(shí)間間隔將其喚醒上傳數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，軟件設(shè)計(jì)流程如圖4(b)所示.

圖4 ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程

4.2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用Visual C++6.0開(kāi)發(fā)，用于顯示農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)值范圍后，可啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，界面如圖5所示.

圖5 上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件界面

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等由概念走向應(yīng)用提供了技術(shù)平臺(tái).通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境信息，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少人工操作的盲目性，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效益，使以人力為主的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式逐漸向以信息技術(shù)為中心的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變.該系統(tǒng)可以解決RS-485和現(xiàn)場(chǎng)總線布網(wǎng)中區(qū)域廣、布線難的問(wèn)題，具有監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置靈活、移動(dòng)性好、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可在智慧農(nóng)業(yè)中推廣應(yīng)用.

［1］劉春紅，張漫，張帆，等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)開(kāi)發(fā)［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，16(5):151-156.

［2］高守瑋，吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.8-14.

［3］林瑤瑤.基于ZigBee的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)無(wú)線檢測(cè)裝置的研究與設(shè)計(jì)［D］.大連:大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

［4］沈連豐，許波，夏瑋瑋.嵌入式系統(tǒng)及其開(kāi)發(fā)應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.109-118.

［5］王小強(qiáng)，歐陽(yáng)駿，黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2013.36-40.