摘 要：現(xiàn)階段我國(guó)農(nóng)業(yè)正處在轉(zhuǎn)型升級(jí)、更加智能化的關(guān)鍵時(shí)期。大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，對(duì)于解放勞動(dòng)力，增加農(nóng)作物產(chǎn)量和農(nóng)民收入具有重要的意義。本系統(tǒng)首先根據(jù)農(nóng)田監(jiān)測(cè)需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，終端采用CC2530無線傳感器節(jié)點(diǎn)，加上測(cè)量土壤溫濕度的模塊測(cè)，通過ZigBee協(xié)議將信息傳送至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過串口與ARM9開發(fā)板進(jìn)行通信，嵌入式控制器運(yùn)用嵌入式Linux進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田土壤信息的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)嵌入式

1 背景與設(shè)計(jì)方案

1.1 背景和意義

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，截止2016年全國(guó)耕地面積繼續(xù)持續(xù)在20.25億畝，全年水田、水澆地共增加235萬畝，占新增耕地面積的64.7%。同時(shí)我國(guó)還面臨著水資源缺乏的局面，節(jié)約水資源同樣是重中之重。影響農(nóng)田作物生長(zhǎng)的環(huán)境因素主要是土壤的溫度和濕度以及二氧化碳的濃度，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)做出相應(yīng)的措施對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)至關(guān)重要[1]?？梢娹r(nóng)田耕種和農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要性。農(nóng)田監(jiān)測(cè)等設(shè)施農(nóng)業(yè)在國(guó)外的發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)十分普遍，我國(guó)也正將設(shè)施農(nóng)工業(yè)的步伐加強(qiáng)加大。所以農(nóng)田監(jiān)測(cè)是農(nóng)業(yè)智能化的必經(jīng)之路。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

農(nóng)田監(jiān)測(cè)主要是為了提供有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境，土壤的溫度、濕度、PH值等是作物生長(zhǎng)良好的保障。在北方以耐干旱的作物為主，南方主要是水稻，而北方的冬天不適合農(nóng)作物生長(zhǎng)，我們可以通過研究作物整個(gè)生長(zhǎng)周期所需土壤條件，從而密切監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境。這樣不僅可以把握農(nóng)機(jī)，不錯(cuò)過任何一個(gè)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，就在很大程度上保證了作物的產(chǎn)量，并且節(jié)約了勞動(dòng)力，更節(jié)省了各種資源如肥料和水。

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是目前一種新興的距離短、功耗小并且節(jié)約成本、可靠性高的雙向無線通信技術(shù)。傳輸距離10-100m，組網(wǎng)方式靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)，通信非?？煽?，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)及工業(yè)監(jiān)控、智能家居、傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域[2]。

ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)有三種功能，這三種功能是協(xié)調(diào)器、路由功能和終端節(jié)點(diǎn)。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置并啟動(dòng)所網(wǎng)絡(luò)[3]；路由器負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，通過它可以延展網(wǎng)絡(luò)；終端設(shè)備可連接各種溫濕度、煙霧、酸堿度等傳感器模塊，通過網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是星型的、樹型的或者網(wǎng)狀型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于ZigBee的農(nóng)田智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)土壤的溫濕度，所以本系統(tǒng)包含ZigBee的溫濕度監(jiān)測(cè)路由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和傳感器模塊組成。本系統(tǒng)中只設(shè)計(jì)了終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，無路由器節(jié)點(diǎn)，所以終端節(jié)點(diǎn)還需將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他節(jié)點(diǎn)。

3.1 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片，CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU[4]，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其它強(qiáng)大的功能。CC2530休眠模式可以通過定時(shí)器實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的休眠/喚醒調(diào)度，使其低功耗運(yùn)行，節(jié)約能耗。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通訊模塊和電源模塊組成。CC2530芯片內(nèi)部集成了微處理器和無線通信模塊，傳感器模塊采用SHT10[5]。該傳感器采用了CMOSens的專利技術(shù)，將溫濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器無縫結(jié)合，使傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快、接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件的實(shí)驗(yàn)包括協(xié)調(diào)器和終端兩個(gè)部分。其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制中心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組件和信息路由、鏈路協(xié)議的管理。終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)收集信息、并進(jìn)行處理、發(fā)送等。它還兼有路由的功能，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。同時(shí)為了節(jié)約節(jié)點(diǎn)能耗，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)處于不收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，一般處于休眠狀態(tài)。

首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的初始化，之后傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽和等待，如果收到網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求就為子節(jié)點(diǎn)分配地址，如果沒收到就繼續(xù)監(jiān)聽。節(jié)點(diǎn)分配地址后，接受數(shù)據(jù)并發(fā)動(dòng)到相應(yīng)的PC機(jī)。其流程圖如圖1所示。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用CC2530模塊和ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)的一種新型無線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田土壤的溫度、濕度，設(shè)計(jì)能滿足基本的農(nóng)田監(jiān)測(cè)需要。能夠?yàn)檗r(nóng)田工作者提供清晰的土壤狀態(tài)信息，同時(shí)可以結(jié)合土壤的狀況和作物生長(zhǎng)周期的需要采取相應(yīng)的措施。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要擴(kuò)展二氧化碳濃度、土壤PH值能其他傳感器，為精細(xì)化農(nóng)業(yè)提出一種有效方案。

參考文獻(xiàn)

[1]張成良.基于ZigBee的遠(yuǎn)程田間監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[2]張慧穎.基于ZigBee和3G技術(shù)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（10）：487-490.

[3]涂繼輝，楊彬.基于Zigbee的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（06）：71-72.

[4]孫玉文.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[5]代媛.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

作者簡(jiǎn)介：張玉鑫（1989，6-），女，河北保定，碩士，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。