0 引言
監(jiān)控系統(tǒng)在智能農(nóng)場(chǎng)的功能發(fā)揮中起到了至關(guān)重要的作用，但有線監(jiān)控系統(tǒng)有著很大的局限性。加上農(nóng)場(chǎng)內(nèi)地形情況、環(huán)境因素十分復(fù)雜，一些土壤及環(huán)境參數(shù)，比如：土壤濕度、溫度，空氣濕度、溫度，氮磷鉀含量、光照度等，不能及時(shí)有效的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，造成農(nóng)作物不能及時(shí)的得到有效灌溉，同時(shí)也會(huì)造成水分或者肥料的浪費(fèi)。因此，本文就應(yīng)對(duì)智能農(nóng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況，綜合運(yùn)用ZigBee模塊、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和GPRS 技術(shù)，提出一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)。能夠進(jìn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、作物灌溉控制、日常管理等功能。
1 GPRS 和ZigBee 通信技術(shù)的介紹
1.1 WLAN 技術(shù)
WLAN 即無(wú)線局域網(wǎng)，在局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)依靠無(wú)線電磁波傳輸，但其傳輸距離較短一般只有幾十米左右。
雖然無(wú)線局域網(wǎng)僅適合近距離的傳輸，但其依然有很多弊端。第一，無(wú)線技術(shù)的設(shè)備設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)很復(fù)雜；第二，在網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)RF 模塊花費(fèi)很高；最后，此技術(shù)有很大的耗電量。因此，為了保護(hù)環(huán)境節(jié)能減排，系統(tǒng)一般都會(huì)使用太陽(yáng)能電池，而無(wú)線局域網(wǎng)的能耗導(dǎo)致太陽(yáng)能電池?zé)o法應(yīng)用。
1.2藍(lán)牙技術(shù)
藍(lán)牙技術(shù)即Bluetooth，同樣也是一種短距離的無(wú)線電傳輸技術(shù)，其傳輸距離與無(wú)線局域網(wǎng)差不多，在十米左右。無(wú)法進(jìn)行很遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。可以再移動(dòng)電話、平板電腦、筆記本等設(shè)備之間進(jìn)行信息交換，藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)使得手機(jī)、平板等移動(dòng)終端能夠進(jìn)行很方便的信息傳遞。
藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，通常要在無(wú)線傳感網(wǎng)中配置很多的傳感器節(jié)點(diǎn)，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
但藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備需要有線，因此就會(huì)嚴(yán)重限制此技術(shù)在低速控制系統(tǒng)中的運(yùn)用。除此之外，在布置網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還必須考慮到成本的問題，藍(lán)牙技術(shù)的成本很高，而且井下監(jiān)控網(wǎng)規(guī)模很大。其必將被其他技術(shù)取代。
1.3 ZigBee 技術(shù)
ZigBee 技術(shù)是一種新興的低傳輸速率、短距離的無(wú)線傳輸技術(shù)，此技術(shù)具有其他無(wú)線傳輸技術(shù)沒有的優(yōu)點(diǎn)。首先也是最重要的是，ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較簡(jiǎn)單，而且其具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越無(wú)線局域網(wǎng)和藍(lán)牙技術(shù)的實(shí)用性。ZigBee 技術(shù)還具有很多和其他傳輸技術(shù)不同的特點(diǎn)：
1）傳輸速率低。
2）能耗低，正常工作所需能量少：ZigBee數(shù)傳節(jié)點(diǎn)承載的數(shù)據(jù)功率較低，而且在信息傳遞結(jié)束后，ZigBee 數(shù)傳模塊會(huì)自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，可以大幅度的減少能耗，其需要的能量大約只有正常工作的千分之一，非常符合農(nóng)場(chǎng)工作的實(shí)際情況，一般來說，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大部分時(shí)間節(jié)點(diǎn)都是處在睡眠的狀態(tài)，處于待命的狀態(tài)。其ZigBee 無(wú)線模塊正常運(yùn)行的時(shí)間小于總時(shí)間的百分之一，所以，能夠達(dá)到很好的節(jié)能減排效果。
3）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議簡(jiǎn)單，進(jìn)一步大大降低了成本。
1.4 GPRS 技術(shù)
通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)簡(jiǎn)稱為GPRS。其是移動(dòng)電話用戶使用的一項(xiàng)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，此技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸方式上和其他網(wǎng)絡(luò)傳輸方式不同，其數(shù)據(jù)的傳輸是將信息先封包然后在傳輸。GPRS 技術(shù)和目前比較流行的傳輸技術(shù)相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)“永遠(yuǎn)在線”，無(wú)需撥號(hào)連接，更加節(jié)約時(shí)間，只有在使用時(shí)才會(huì)存在數(shù)據(jù)傳輸而占用資源。下面簡(jiǎn)述GPRS 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。
1）相比其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)其資源利用率有很大程度的提高，此技術(shù)采用的是技術(shù)工作分組交換模式，只有用戶在使用時(shí)才會(huì)占用系統(tǒng)資源，這就使得一個(gè)無(wú)線信道就可以讓多個(gè)用戶共同使用，大大提高了信道利用率。GPRS 的資費(fèi)是依據(jù)，消耗多少流量，付多少錢。因此，使用GPRS 成本很低，持續(xù)連接很久，也許就需要幾分錢的費(fèi)用。
2）傳輸速率得到極大提高，GPRS 技術(shù)其輸出速率能夠達(dá)到115kpbs。這就意味著人們可以通過手機(jī)等設(shè)備瀏覽網(wǎng)頁(yè)信息。
3）分組交換式接入網(wǎng)絡(luò)，能夠即時(shí)連接，網(wǎng)頁(yè)的預(yù)覽更加流暢快捷。
4）支持X.25 協(xié)議和IP 協(xié)議，使其廣泛的兼容各種設(shè)備，能夠使其在世界范圍內(nèi)相互連接。
總而言之，由于農(nóng)場(chǎng)的特殊情況，在對(duì)無(wú)線技術(shù)的選擇上必須嚴(yán)格進(jìn)行，要求性能可靠、穩(wěn)定性強(qiáng)、維修簡(jiǎn)單、功率低、能耗小、成本低。表1 是對(duì)各種無(wú)線技術(shù)的性能比較。
表 1 無(wú)線技術(shù)的性能比較
2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
總方案在智能農(nóng)場(chǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)主要分為兩類，就是移動(dòng)式的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和固定式的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，其中固定節(jié)點(diǎn)一般布設(shè)安裝在農(nóng)場(chǎng)的各個(gè)控制點(diǎn)及通過定位和測(cè)量后確定的監(jiān)控點(diǎn)，移動(dòng)ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)一般根據(jù)需要，比如根據(jù)種植的作物不同增加或減少控制、監(jiān)控點(diǎn)，根據(jù)值守人員的需要隨身攜帶移動(dòng)ZigBee數(shù)據(jù)采集設(shè)備等而設(shè)置。因此，為了保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性，就必須根據(jù)農(nóng)場(chǎng)的實(shí)際情況來制定ZigBee 無(wú)線模塊安裝的距離和大小，同時(shí)在比較特殊的地點(diǎn)也要安裝，使農(nóng)場(chǎng)的控制區(qū)域內(nèi)可以被ZigBee 無(wú)線模塊完全覆蓋。
針對(duì)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目繁多，分布范圍大等特點(diǎn)，必須要采用GPRS 技術(shù)和ZigBee無(wú)線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。依據(jù)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)模式，將數(shù)據(jù)傳輸分為兩部分。首先，是從節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，就是利用ZigBee 數(shù)傳模塊把一個(gè)區(qū)域里的數(shù)據(jù)集中到一個(gè)中心點(diǎn)上；第二部分是將主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞到監(jiān)控中心，由于具有很遠(yuǎn)的距離，故采用GPRS 技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)信息由串口通訊的手段傳輸?shù)降孛婵刂剖遥@樣能夠很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳遞，不但可以從很大程度上減少數(shù)據(jù)傳輸成本，而且方便快捷。下圖1
圖1 數(shù)據(jù)傳輸過程
整個(gè)數(shù)據(jù)是傳輸過程。整個(gè)控制系統(tǒng)分為三大部分無(wú)線通信系統(tǒng)、智能監(jiān)控終端、地面監(jiān)控中心。
其中智能監(jiān)控終端由控制器模塊、報(bào)警器、ZigBee無(wú)線模塊、未處理器模塊組成，各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)土壤濕度溫度、空氣濕度溫度和光照度、氮磷鉀濃度等。要完成信息的ZigBee數(shù)據(jù)采集和傳出工作，還必須及時(shí)對(duì)控制中心發(fā)出的控制信息做出反應(yīng)。其中通信系主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)命令的傳輸，監(jiān)控終端使用GPRS模塊進(jìn)入GPRS 網(wǎng)絡(luò)，然后接入因特網(wǎng)。整個(gè)系統(tǒng)的核心是監(jiān)控系統(tǒng)，其要完成對(duì)整個(gè)農(nóng)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的控制，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并做出相關(guān)指令控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)應(yīng)對(duì)措施。以及對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 分控中心硬件設(shè)計(jì)
該農(nóng)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)收集的農(nóng)田參數(shù)信息，并發(fā)送數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn)。可以通過多布置子節(jié)點(diǎn)的方法來解決，多采集點(diǎn)廣泛分布的需要，解決傳輸距離的限制和布線困難等問題。繼電器模塊適合終端節(jié)點(diǎn)在一起的，使用了先進(jìn)的上位單片機(jī)和GPRS 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)各種環(huán)境量的實(shí)時(shí)分析，能夠及時(shí)處理存在的問題。通過ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊把采集到的數(shù)據(jù)信息處理分析，在將分析結(jié)果發(fā)送到ZigBee 主節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)串口與主節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)通訊，這樣保證了數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)時(shí)性，給用戶帶來了很大的方便。
3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
一般來說傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)是由處理器、能量供應(yīng)模塊、ZigBee模塊和ZigBee 傳感器模塊組成，其能夠很準(zhǔn)確的對(duì)環(huán)境各參數(shù)進(jìn)行收集和初步處理，在遇到臨界值或特殊情況時(shí)能夠進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，能夠接收由控制中心發(fā)出的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，把所收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。
對(duì)于此系統(tǒng)的處理芯片和無(wú)線射頻模塊的設(shè)計(jì)方案中，重要采用的是CC2530 為核心的構(gòu)造無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)不但可以滿足系統(tǒng)的無(wú)線通信、人員定位和數(shù)據(jù)采集等功能，而且能耗低、電路簡(jiǎn)單、體積小，從很大程度上減少了構(gòu)建成本。
3.3 GPRS 終端設(shè)計(jì)
從農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)傳輸，都是通過GPRS 數(shù)據(jù)傳輸終端盒ZigBee 無(wú)線傳感器模塊相連接而達(dá)到的。GPRS 還可以將終端內(nèi)置處理器進(jìn)行協(xié)議封裝和處理，在將其發(fā)送到GPRS 網(wǎng)絡(luò)，通過串行的方式進(jìn)行和地面的監(jiān)控通信，在監(jiān)控中心接收數(shù)據(jù)信息后，經(jīng)過分析處理，把有效的數(shù)據(jù)保存到中心數(shù)據(jù)庫(kù)中。
4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)的采集處理、無(wú)線收發(fā)相關(guān)程序和路由器的算法等是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要部分，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括3 個(gè)部分：
1）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和傳遞；
2）主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集；
3）將主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。
一般情況下我們采用c 語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。通常來說數(shù)據(jù)中心會(huì)采用輪詢的方式，對(duì)系統(tǒng)所有從節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和保存，即時(shí)顯示在操作平臺(tái)上，在用戶不需要時(shí)可以隨時(shí)退出程序，終止操作。要想開始監(jiān)控只需要重新啟動(dòng)就行了。
5 結(jié)論
綜上所述，對(duì)于農(nóng)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要結(jié)合ZigBee 和GPRS 兩種技術(shù)，從靈活組網(wǎng)和低成本的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)土壤、環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)ZigBee數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和預(yù)警。
此系統(tǒng)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)楝F(xiàn)代智能農(nóng)場(chǎng)和旅游觀光型農(nóng)場(chǎng)的日常管理帶來新的發(fā)展模式。