劉卉 曾利軍 肖瑤 高芳

摘 要：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是基于目前比較先進(jìn)的ZigBee技術(shù)，同時(shí)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控。系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要由無線模塊、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳感器控管制矩陣和供電單元等構(gòu)成。在net framework 4.0平臺(tái)上依靠C語言實(shí)現(xiàn)了軟件功能。傳感器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)由傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施主要操作，而匯集節(jié)點(diǎn)則擔(dān)任串口通訊編程的功能。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)自動(dòng)化；監(jiān)控；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）具有結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、布置簡(jiǎn)單、維護(hù)快捷、測(cè)量精密等優(yōu)點(diǎn)，被稱為新世紀(jì)十大支撐技術(shù)之一，而且該技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制方面極具優(yōu)勢(shì)。

ZigBee技術(shù)是一種功耗低、成本低、近距離、無需布線、高可靠性、自組織性和方便組建網(wǎng)絡(luò)的雙向無線通信技術(shù)，基于以上優(yōu)點(diǎn)ZigBee技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，成為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)選擇。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用于灌區(qū)農(nóng)田進(jìn)行土壤環(huán)境及植物生態(tài)監(jiān)測(cè)，通過上位機(jī)軟件監(jiān)控，對(duì)農(nóng)田實(shí)現(xiàn)智能節(jié)水灌溉。該系統(tǒng)主要由五個(gè)模塊構(gòu)成，分別是ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)監(jiān)控、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、閥門控制設(shè)備和無線路由設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)對(duì)土壤的濕度進(jìn)行監(jiān)控，將反饋數(shù)據(jù)通過ZigBee技術(shù)傳送至接收節(jié)點(diǎn)，然后由控制器分析接收的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)與不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，并由此來控制電磁閥門的開啟時(shí)間，進(jìn)而對(duì)不同農(nóng)作物進(jìn)行智能節(jié)水灌溉。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是由ZigBee模塊構(gòu)成的。主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、閥門控制節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)匯集節(jié)點(diǎn)。這3種節(jié)點(diǎn)都采用了相同的電路設(shè)計(jì)思路，區(qū)別在于通過編寫的程序語言的不同來實(shí)現(xiàn)不同的功能性能。其硬件組成如圖2所示。

無線傳感器必須具有無線通信、數(shù)據(jù)傳感、和數(shù)據(jù)處理的功能，此外還要考慮體積小和成本低的等各方面的因素。無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息預(yù)測(cè)和傳感的工作，對(duì)監(jiān)控主機(jī)作出回答以及發(fā)送指令數(shù)據(jù)，一般由ZigBee模塊、存儲(chǔ)器模塊、驅(qū)動(dòng)輸出模塊、時(shí)鐘模塊傳感器接口模塊各主要部分組成。該方案充足考慮了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控的特點(diǎn)，沒有布線問題。低成本、節(jié)水效果顯著，便于大規(guī)模機(jī)械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可普遍推廣。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)的質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)智能節(jié)水系統(tǒng)的各個(gè)方面，是系統(tǒng)開發(fā)的重中之重。根據(jù)系統(tǒng)的性能分析，結(jié)合系統(tǒng)所需的高穩(wěn)定、低功耗的特點(diǎn)，在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要來包含四個(gè)部分：客戶端、網(wǎng)關(guān)匯集節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)以及閥門控制節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)匯集節(jié)點(diǎn)，匯集節(jié)點(diǎn)接收處理，后將數(shù)據(jù)傳送給客戶端軟件，客戶端通過閥門控制命令控制閥門節(jié)點(diǎn)完成操作。其關(guān)系圖如圖3所示。

WSN集成了傳感器、無線通信、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等多項(xiàng)技術(shù)，不僅能夠?qū)崟r(shí)采集研究對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，還能夠在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給用戶。但在絕大多數(shù)情況下，系統(tǒng)供能始終是一個(gè)需要解決的重大問題，當(dāng)系統(tǒng)無法供電時(shí)，傳感器也無法再進(jìn)行運(yùn)作。

為了延長(zhǎng)傳感器的工作時(shí)間，低功耗軟件設(shè)計(jì)是需要設(shè)計(jì)者重點(diǎn)考慮的問題之一。

在硬件、軟件設(shè)計(jì)的同時(shí)，也考慮到了能源消耗的問題。在傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中，節(jié)點(diǎn)在休眠狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)之間進(jìn)行操作和轉(zhuǎn)換，并且傳感器節(jié)點(diǎn)大部分的時(shí)間處在一個(gè)休眠狀態(tài)下的低功耗模式。

休眠節(jié)點(diǎn)將封鎖在無線通信模塊、傳感器模塊和電路的一部分。節(jié)點(diǎn)使用定時(shí)器中斷模式，每次完成抽樣，發(fā)送數(shù)據(jù)交換路由信息任務(wù)，比如他們進(jìn)入休眠狀態(tài)，自動(dòng)取樣的時(shí)間醒來，再繼續(xù)一個(gè)新任務(wù)。在傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)中，電源模塊的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)在工作或者待機(jī)時(shí)都需要電源模塊持續(xù)不斷的提供能源，而傳感器節(jié)點(diǎn)能夠提供的能量有限，所以在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)考慮時(shí)，要以低功耗和高效能功能為主。

4 總結(jié)

近年來，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益擴(kuò)大的市場(chǎng)，如今已被運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)思想是基于國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀和今后發(fā)展智能灌溉的可行性和必要性，綜合設(shè)計(jì)出了基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過ZigBee無線模塊的連接和土壤濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，將不同地方的濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)水灌溉系統(tǒng)控制終端，通過對(duì)比事先設(shè)定的土壤濕度闕值和當(dāng)前采集的土壤濕度，為自動(dòng)灌溉提供決策信息，以此來完成相關(guān)功能模塊的測(cè)試。得到土壤濕度控制系統(tǒng)運(yùn)行界面進(jìn)行分析。

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作者簡(jiǎn)介：

劉卉（1980-），女，漢族，湖南衡陽人，碩士，副教授，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能信息處理；

曾利軍（1976-），男，湖南邵東人，副教授，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、最優(yōu)控制、智能信息處理。