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)、精準農(nóng)業(yè)等一系列新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已成為當前研究的熱點。通過大量遍布于農(nóng)田、溫室大棚等目標區(qū)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(tǒng)及時、準確地發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)需要控制相關(guān)設(shè)備進行調(diào)溫、調(diào)光、澆灌、換氣，實現(xiàn)農(nóng)作物生長環(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。 傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多采用ＲＳ４８５ 和現(xiàn)場總線布網(wǎng)，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(wǎng)絡(luò)解決方案，解決了上述傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測組網(wǎng)過程中的一系列問題，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平。
１ ＺｉｇＢｅｅ 無線模塊組網(wǎng)
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(shù)，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(shù)，以２.４ ＧＨｚ 為主要頻段，在數(shù)千個微小傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信，通過無線電波以接力的方式傳遞數(shù)據(jù)，形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。ＩＥＥＥ８０２.１５.４ 定義了三種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點，這三者的硬件結(jié)構(gòu)相同，通過軟件配置不同的設(shè)備功能。１ 個ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)由１ 個協(xié)調(diào)器和若干個終端節(jié)點組成，最多支持６５ ５３５ 個終端節(jié)點。 終端節(jié)點連接著各種類型的傳感器，將采集到的數(shù)據(jù)無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器，在空曠地帶其傳輸距離可達上百米。若需擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍或增加傳輸距離，可在網(wǎng)絡(luò)中增加路由器以實現(xiàn)信號的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。按照不同的應用環(huán)境，ＺｉｇＢｅｅ模塊支持三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，即星型、網(wǎng)狀和簇狀，本設(shè)計中選用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
２ 總體設(shè)計方案
ＺｉｇＢｅｅ 無線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)在智慧農(nóng)業(yè)中的應用系統(tǒng)由無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和控制中心兩部分組成，如圖１ 所示。
圖１ 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
大量分布于監(jiān)測區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點負責對溫度、濕度、有害氣體濃度等農(nóng)情信息進行ＺｉｇＢｅｅ數(shù)據(jù)采集，并以無線方式發(fā)送給ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)經(jīng)由以太網(wǎng)傳輸至控制中心，控制中心對數(shù)據(jù)進行存儲、分析以及處理后，由專家決策系統(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用系統(tǒng)。
３ 系統(tǒng)硬件電路設(shè)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(shè)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(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(wǎng)關(guān)設(shè)計
網(wǎng)關(guān)用于實現(xiàn)以太網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)議、地址的轉(zhuǎn)換和路由等功能，負責將協(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，同時也用于將控制中心的指令發(fā)送到終端節(jié)點，工作任務(wù)繁雜，接口電路較為復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 為核心的開發(fā)平臺，設(shè)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(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖
４ 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括網(wǎng)關(guān)軟件、ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳模塊節(jié)點軟件和上位機界面三個部分。其中，網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計主要包括基于ＡＴ９１ＡＲＭ９２００ 微處理器的ＡＲＭ－Ｌｉｎｕｘ 軟件開發(fā)平臺的建立以及數(shù)據(jù)串口收發(fā)程序的設(shè)計，其設(shè)計方法可參考文獻。
４.１ ＺｉｇＢｅｅ 節(jié)點軟件設(shè)計
ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳模塊節(jié)點軟件設(shè)計使用ＩＡＲ 集成開發(fā)環(huán)境在ＺＳｔａｃｋ－ＣＣ２５３０－２.３.０協(xié)議?；A(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)，并提供給用戶應用層的應用程序編程接口（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＡＰＩ），只需在應用層函數(shù)中加入傳感器的讀取函數(shù)就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。協(xié)調(diào)器是ＺｉｇＢｅｅ數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的核心，負責網(wǎng)絡(luò)的建立與維護。上電初始化后，協(xié)調(diào)器會選擇一個空閑信道建立并偵聽網(wǎng)絡(luò)，當有終端節(jié)點設(shè)備申請加入網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器將為該終端節(jié)點設(shè)備分配一個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)器接收來自終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過ＲＳ２３２ 接口傳送給網(wǎng)關(guān)，軟件設(shè)計流程如圖４（ａ）所示。
終端節(jié)點傳感器負責對環(huán)境信息進行ＺｉｇＢｅｅ數(shù)據(jù)采集，并以無線方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，在上電初始化后，終端節(jié)點掃描信道并選擇一個網(wǎng)絡(luò)加入，成功入網(wǎng)后，進入休眠狀態(tài)，由定時器按照一定的時間間隔將其喚醒上傳數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，軟件設(shè)計流程如圖４（ｂ）所示
（ａ）協(xié)調(diào)器 （ｂ）終端節(jié)點
圖４ ＺｉｇＢｅｅ 節(jié)點軟件設(shè)計流程
４.２ 上位機界面設(shè)計
上位機軟件采用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６.０ 開發(fā)，用于顯示農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，當監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)超出預設(shè)值范圍后，可啟動相應設(shè)備調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，界面如圖５ 所示。
圖５ 上位機監(jiān)測軟件界面
５ 結(jié)語
ＺｉｇＢｅｅ無線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，為精準農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等由概念走向應用提供了技術(shù)平臺。通過ＺｉｇＢｅｅ模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境信息進行ＺｉｇＢｅｅ數(shù)據(jù)采集，及時準確地發(fā)現(xiàn)問題，減少人工操作的盲目性，指導農(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)場總線布網(wǎng)中區(qū)域廣、布線難的問題，具有監(jiān)測點設(shè)置靈活、移動性好、維護方便等優(yōu)點，可在智慧農(nóng)業(yè)中推廣應用。