電子技術、傳感器技術及網絡技術的發展促進了農業信息化水平的提高，以信息網絡為中心的智慧農業、精準農業等一系列新的農業生產模式已成為當前研究的熱點。通過大量遍布于農田、溫室大棚等目標區域的傳感器，實時采集諸如溫度、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，由專家決策系統及時、準確地發現問題，根據需要控制相關設備進行調溫、調光、澆灌、換氣，實現農作物生長環境的智能化控制，從而有效提高農業生產效率和農產品質量。 傳統的農業環境監測系統大多采用ＲＳ４８５ 和現場總線布網，布線麻煩，安裝、維護成本高且擴展不易。針對這一問題，本文提出了一種基于ＺｉｇＢｅｅ模塊的無線傳感器網絡解決方案，解決了上述傳統農業環境監測組網過程中的一系列問題，提高了農業生產的智能化水平。
１ ＺｉｇＢｅｅ 無線模塊組網
ＺｉｇＢｅｅ 即ＩＥＥＥ８０２.１５.４，是一種介于無線標識和藍牙之間的無線通信技術，具有低成本、低功耗、近距離、易應用等特點。它采用直接序列擴頻技術，以２.４ ＧＨｚ 為主要頻段，在數千個微小傳感器之間相互協調通信，通過無線電波以接力的方式傳遞數據，形成一個多跳的自組織網絡系統。ＩＥＥＥ８０２.１５.４ 定義了三種設備類型：協調器、路由器和終端節點，這三者的硬件結構相同，通過軟件配置不同的設備功能。１ 個ＺｉｇＢｅｅ數傳模塊網絡由１ 個協調器和若干個終端節點組成，最多支持６５ ５３５ 個終端節點。 終端節點連接著各種類型的傳感器，將采集到的數據無線發送到協調器，在空曠地帶其傳輸距離可達上百米。若需擴大網絡覆蓋范圍或增加傳輸距離，可在網絡中增加路由器以實現信號的中繼轉發。按照不同的應用環境，ＺｉｇＢｅｅ模塊支持三種網絡拓撲結構，即星型、網狀和簇狀，本設計中選用星型網絡拓撲結構。
２ 總體設計方案
ＺｉｇＢｅｅ 無線模塊傳感器網絡在智慧農業中的應用系統由無線監測網絡和控制中心兩部分組成，如圖１ 所示。
圖１ 系統總體設計方案
大量分布于監測區域的無線傳感器網絡終端節點負責對溫度、濕度、有害氣體濃度等農情信息進行ＺｉｇＢｅｅ數據采集，并以無線方式發送給ＺｉｇＢｅｅ數傳模塊網絡協調器，協調器將接收到的數據通過網關經由以太網傳輸至控制中心，控制中心對數據進行存儲、分析以及處理后，由專家決策系統發出反饋指令，以此構建出包含完整的、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用系統。
３ 系統硬件電路設計
３.１ ＺｉｇＢｅｅ 無線模塊
目前，常見的ＺｉｇＢｅｅ 無線模塊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。為簡化電路，設計中選擇第二種方案。ＣＣ２５３０ 是由ＴＩ 公司推出的第二代ＺｉｇＢｅｅ 無線射頻芯片，運行Ｚｉｇ-Ｂｅｅ２００７ 協議棧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 集成了業界領先的ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）收發器以及增強型單周期８０５１ 內核，內部Ｆｌａｓｈ 容量可選，支持系統在線編程，傳感器可通過單總線與ＣＣ２５３０ 的Ｉ／Ｏ 端口連接，其典型應用電路如圖２ 所示。
圖２ ＣＣ２５３０ 的典型應用電路
３.２ 網關設計
網關用于實現以太網和無線傳感器網絡之間協議、地址的轉換和路由等功能，負責將協調器收集到的數據經以太網傳輸給控制中心，同時也用于將控制中心的指令發送到終端節點，工作任務繁雜，接口電路較為復雜且需要有完善的網絡協議棧支持。因此，在硬件選型上采用以３２ 位微處理器ＡＴ９１ＡＲＭ９２００ 為核心的開發平臺，設計中使用核心板（ＣＰＵ＋ＳＤＲＡＭ＋ＦＬＡＳＨ）加底板（外圍接口電路）的硬件組成方案，要滿足不同需求的應用，只需增加功能底板上的接口電路即可，如圖３ 所示。
圖３ 網關硬件結構圖
４ 系統軟件設計
系統軟件設計主要包括網關軟件、ＺｉｇＢｅｅ數傳模塊節點軟件和上位機界面三個部分。其中，網關軟件設計主要包括基于ＡＴ９１ＡＲＭ９２００ 微處理器的ＡＲＭ－Ｌｉｎｕｘ 軟件開發平臺的建立以及數據串口收發程序的設計，其設計方法可參考文獻。
４.１ ＺｉｇＢｅｅ 節點軟件設計
ＺｉｇＢｅｅ數傳模塊節點軟件設計使用ＩＡＲ 集成開發環境在ＺＳｔａｃｋ－ＣＣ２５３０－２.３.０協議棧基礎上完成。
ＺＳｔａｃｋ 協議棧是ＺｉｇＢｅｅ 網絡各層協議的集合，以函數的形式出現，并提供給用戶應用層的應用程序編程接口（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＡＰＩ），只需在應用層函數中加入傳感器的讀取函數就可實現數據的無線收發。協調器是ＺｉｇＢｅｅ數傳網絡的核心，負責網絡的建立與維護。上電初始化后，協調器會選擇一個空閑信道建立并偵聽網絡，當有終端節點設備申請加入網絡時，協調器將為該終端節點設備分配一個１６ 位的網絡地址并允許其加入網絡。組網結束后，協調器接收來自終端節點的數據，并通過ＲＳ２３２ 接口傳送給網關，軟件設計流程如圖４（ａ）所示。
終端節點傳感器負責對環境信息進行ＺｉｇＢｅｅ數據采集，并以無線方式發送給協調器，在上電初始化后，終端節點掃描信道并選擇一個網絡加入，成功入網后，進入休眠狀態，由定時器按照一定的時間間隔將其喚醒上傳數據到協調器，軟件設計流程如圖４（ｂ）所示
（ａ）協調器 （ｂ）終端節點
圖４ ＺｉｇＢｅｅ 節點軟件設計流程
４.２ 上位機界面設計
上位機軟件采用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６.０ 開發，用于顯示農作物生產環境監測數據，當監測到的環境數據超出預設值范圍后，可啟動相應設備調節環境參數，界面如圖５ 所示。
圖５ 上位機監測軟件界面
５ 結語
ＺｉｇＢｅｅ無線模塊傳感器網絡與農業生產相結合，為精準農業、智慧農業等由概念走向應用提供了技術平臺。通過ＺｉｇＢｅｅ模塊傳感器網絡對農作物生產環境信息進行ＺｉｇＢｅｅ數據采集，及時準確地發現問題，減少人工操作的盲目性，指導農業生產，提高農產品質量及生產效益，使以人力為主的傳統農業生產模式逐漸向以信息技術為中心的現代農業生產模式轉變。該系統可以解決ＲＳ－４８５ 和現場總線布網中區域廣、布線難的問題，具有監測點設置靈活、移動性好、維護方便等優點，可在智慧農業中推廣應用。