0 引言
監控系統在智能農場的功能發揮中起到了至關重要的作用，但有線監控系統有著很大的局限性。加上農場內地形情況、環境因素十分復雜，一些土壤及環境參數，比如：土壤濕度、溫度，空氣濕度、溫度，氮磷鉀含量、光照度等，不能及時有效的進行監測，造成農作物不能及時的得到有效灌溉，同時也會造成水分或者肥料的浪費。因此，本文就應對智能農場監測的實際情況，綜合運用ZigBee模塊、計算機控制技術和GPRS 技術，提出一個遠程監控技術。能夠進行參數實時監測、作物灌溉控制、日常管理等功能。
1 GPRS 和ZigBee 通信技術的介紹
1.1 WLAN 技術
WLAN 即無線局域網，在局域網中數據依靠無線電磁波傳輸，但其傳輸距離較短一般只有幾十米左右。
雖然無線局域網僅適合近距離的傳輸，但其依然有很多弊端。第一，無線技術的設備設計和軟件開發很復雜；第二，在網絡中的傳感器節點RF 模塊花費很高；最后，此技術有很大的耗電量。因此，為了保護環境節能減排，系統一般都會使用太陽能電池，而無線局域網的能耗導致太陽能電池無法應用。
1.2藍牙技術
藍牙技術即Bluetooth，同樣也是一種短距離的無線電傳輸技術，其傳輸距離與無線局域網差不多，在十米左右。無法進行很遠距離的數據傳輸。可以再移動電話、平板電腦、筆記本等設備之間進行信息交換，藍牙技術的出現使得手機、平板等移動終端能夠進行很方便的信息傳遞。
藍牙技術的應用領域十分廣泛，通常要在無線傳感網中配置很多的傳感器節點，以保證測量結果的準確性。
但藍牙技術的網絡終端設備需要有線，因此就會嚴重限制此技術在低速控制系統中的運用。除此之外，在布置網絡時，還必須考慮到成本的問題，藍牙技術的成本很高，而且井下監控網規模很大。其必將被其他技術取代。
1.3 ZigBee 技術
ZigBee 技術是一種新興的低傳輸速率、短距離的無線傳輸技術，此技術具有其他無線傳輸技術沒有的優點。首先也是最重要的是，ZigBee 技術的網絡協議比較簡單，而且其具有遠遠超越無線局域網和藍牙技術的實用性。ZigBee 技術還具有很多和其他傳輸技術不同的特點：
1）傳輸速率低。
2）能耗低，正常工作所需能量少：ZigBee數傳節點承載的數據功率較低，而且在信息傳遞結束后，ZigBee 數傳模塊會自動進入睡眠狀態，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，非常符合農場工作的實際情況，一般來說，網絡系統中大部分時間節點都是處在睡眠的狀態，處于待命的狀態。其ZigBee 無線模塊正常運行的時間小于總時間的百分之一，所以，能夠達到很好的節能減排效果。
3）網絡技術協議簡單，進一步大大降低了成本。
1.4 GPRS 技術
通用分組無線服務技術簡稱為GPRS。其是移動電話用戶使用的一項移動數據業務，此技術在數據傳輸方式上和其他網絡傳輸方式不同，其數據的傳輸是將信息先封包然后在傳輸。GPRS 技術和目前比較流行的傳輸技術相比，其最大的優點就是能夠實現“永遠在線”，無需撥號連接，更加節約時間，只有在使用時才會存在數據傳輸而占用資源。下面簡述GPRS 技術的優勢。
1）相比其他無線網絡技術其資源利用率有很大程度的提高，此技術采用的是技術工作分組交換模式，只有用戶在使用時才會占用系統資源，這就使得一個無線信道就可以讓多個用戶共同使用，大大提高了信道利用率。GPRS 的資費是依據，消耗多少流量，付多少錢。因此，使用GPRS 成本很低，持續連接很久，也許就需要幾分錢的費用。
2）傳輸速率得到極大提高，GPRS 技術其輸出速率能夠達到115kpbs。這就意味著人們可以通過手機等設備瀏覽網頁信息。
3）分組交換式接入網絡，能夠即時連接，網頁的預覽更加流暢快捷。
4）支持X.25 協議和IP 協議，使其廣泛的兼容各種設備，能夠使其在世界范圍內相互連接。
總而言之，由于農場的特殊情況，在對無線技術的選擇上必須嚴格進行，要求性能可靠、穩定性強、維修簡單、功率低、能耗小、成本低。表1 是對各種無線技術的性能比較。
表 1 無線技術的性能比較
2 遠程監控系統設計
總方案在智能農場遠程控制系統中，無線傳感節點主要分為兩類，就是移動式的ZigBee數據采集節點和固定式的ZigBee數據采集節點，其中固定節點一般布設安裝在農場的各個控制點及通過定位和測量后確定的監控點，移動ZigBee數據采集節點一般根據需要，比如根據種植的作物不同增加或減少控制、監控點，根據值守人員的需要隨身攜帶移動ZigBee數據采集設備等而設置。因此，為了保證網絡的穩定性、可靠性，就必須根據農場的實際情況來制定ZigBee 無線模塊安裝的距離和大小，同時在比較特殊的地點也要安裝，使農場的控制區域內可以被ZigBee 無線模塊完全覆蓋。
針對農場內ZigBee數據采集節點數目繁多，分布范圍大等特點，必須要采用GPRS 技術和ZigBee無線模塊傳感器網絡技術相結合的形式進行數據傳輸。依據節點的設計模式，將數據傳輸分為兩部分。首先，是從節點傳輸到主節點的數據，就是利用ZigBee 數傳模塊把一個區域里的數據集中到一個中心點上；第二部分是將主節點的數據傳遞到監控中心，由于具有很遠的距離，故采用GPRS 技術，將網絡信息由串口通訊的手段傳輸到地面控制室，這樣能夠很好的實現數據遠程傳遞，不但可以從很大程度上減少數據傳輸成本，而且方便快捷。下圖1
圖1 數據傳輸過程
整個數據是傳輸過程。整個控制系統分為三大部分無線通信系統、智能監控終端、地面監控中心。
其中智能監控終端由控制器模塊、報警器、ZigBee無線模塊、未處理器模塊組成，各個監控點用于環境監測，主要監測土壤濕度溫度、空氣濕度溫度和光照度、氮磷鉀濃度等。要完成信息的ZigBee數據采集和傳出工作，還必須及時對控制中心發出的控制信息做出反應。其中通信系主要負責數據命令的傳輸，監控終端使用GPRS模塊進入GPRS 網絡，然后接入因特網。整個系統的核心是監控系統，其要完成對整個農場遠程監控的控制，對收到的數據進行處理分析，并做出相關指令控制系統進行自動應對措施。以及對系統數據進行備份。
3 系統硬件設計
3.1 分控中心硬件設計
該農場遠程監控系統通過ZigBee數據采集節點收集的農田參數信息，并發送數據到中心節點。可以通過多布置子節點的方法來解決，多采集點廣泛分布的需要，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點在一起的，使用了先進的上位單片機和GPRS 技術，實現了對農場內各種環境量的實時分析，能夠及時處理存在的問題。通過ZigBee數據采集模塊把采集到的數據信息處理分析，在將分析結果發送到ZigBee 主節點上，實現計算機串口與主節點的實時通訊，這樣保證了數據的可靠性和實時性，給用戶帶來了很大的方便。
3.2 傳感器網絡節點設計
一般來說傳統的傳感器節點是由處理器、能量供應模塊、ZigBee模塊和ZigBee 傳感器模塊組成，其能夠很準確的對環境各參數進行收集和初步處理，在遇到臨界值或特殊情況時能夠進行及時報警，能夠接收由控制中心發出的數據請求命令，把所收集到的數據發送到監控中心。
對于此系統的處理芯片和無線射頻模塊的設計方案中，重要采用的是CC2530 為核心的構造無線傳感器網絡節點，這樣的設計不但可以滿足系統的無線通信、人員定位和數據采集等功能，而且能耗低、電路簡單、體積小，從很大程度上減少了構建成本。
3.3 GPRS 終端設計
從農場內的監控數據采集到數據傳輸，都是通過GPRS 數據傳輸終端盒ZigBee 無線傳感器模塊相連接而達到的。GPRS 還可以將終端內置處理器進行協議封裝和處理，在將其發送到GPRS 網絡，通過串行的方式進行和地面的監控通信，在監控中心接收數據信息后，經過分析處理，把有效的數據保存到中心數據庫中。
4 系統軟件的設計
數據的采集處理、無線收發相關程序和路由器的算法等是系統軟件設計的主要部分，傳感器網絡主要包括3 個部分：
1）節點數據的采集和傳遞；
2）主節點數據收集；
3）將主節點的數據發送到數據中心。
一般情況下我們采用c 語言進行開發。通常來說數據中心會采用輪詢的方式，對系統所有從節點的監控狀態數據采集和保存，即時顯示在操作平臺上，在用戶不需要時可以隨時退出程序，終止操作。要想開始監控只需要重新啟動就行了。
5 結論
綜上所述，對于農場的遠程監控系統設計要結合ZigBee 和GPRS 兩種技術，從靈活組網和低成本的角度出發，實現農場內土壤、環境參數的實時ZigBee數據采集監控和預警。
此系統具有非常顯著的優點，能夠為現代智能農場和旅游觀光型農場的日常管理帶來新的發展模式。