基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

何滔

（云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 云南省曲靖市 655000）

隨著城鎮(zhèn)化程度的進(jìn)一步深化，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)場經(jīng)濟擁有較好的發(fā)展前景，基于農(nóng)場可以發(fā)展旅游業(yè)，同時還可以發(fā)展各種農(nóng)業(yè)新經(jīng)濟形式。當(dāng)前在現(xiàn)有的農(nóng)場經(jīng)營管理中，涉及到種植、配送、參觀、體驗等的活動形式，存在著服務(wù)項目繁多、區(qū)域位置大等挑戰(zhàn)，對此搭建起農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效提高整個系統(tǒng)的管理效率，提高經(jīng)濟效益，減少農(nóng)場智能管理的成本支出。而ZigBee 作為一種新型的短距離無線傳輸技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)場環(huán)境信息的全時性采集，滿足高效率的通信傳輸，從而實現(xiàn)農(nóng)場智能化、自動化以及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

1 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee 技術(shù)是為低數(shù)據(jù)速率和短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信定義的一系列通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)可以不需要依靠計算機設(shè)備、有線電纜等無線組網(wǎng)完成一系列的電子元器件設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee 技術(shù)具有多個方面的功能優(yōu)勢，在當(dāng)前的信息技術(shù)下?lián)碛袕V泛的應(yīng)用空間。

（1）低功耗特點，在一般的低耗電待機模式下，ZigBee 技術(shù)的電池仍舊可以支持1 個節(jié)點工作半年到兩年左右。

（2）具有低成本優(yōu)勢，在信息時代，實現(xiàn)信息的傳輸需要大量的通信控制器支持而基于ZigBee 技術(shù)下，其能夠大幅簡化協(xié)議降低成本，同時對通信控制器的需求不太高，甚至還可以實現(xiàn)ZigBee 通信協(xié)議專利免費。

（3）高容量特點。在大型的行業(yè)領(lǐng)域中，設(shè)計智能監(jiān)控系統(tǒng)都需要展開對海量的信息數(shù)據(jù)的接收和處理，ZigBee 技術(shù)正是可以采用片狀或是網(wǎng)狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方式，組建成多層次的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，滿足多種信息、數(shù)據(jù)的存儲和處理。

（4）具有高安全性特點。作為一種近距離、低成本以及低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee 無線通信技術(shù)還可以實現(xiàn)GPS 功能，因此被廣泛應(yīng)用到人類的日常通信傳輸中，同時其提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)的對稱密碼等，確保該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的安全性。

1.2 無線傳感器分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過在需要進(jìn)行監(jiān)測的區(qū)域中布置大量的微型傳感器，從而實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的各種信息的全面采集，并且利用無線通信的方式來實現(xiàn)這些信息數(shù)據(jù)的傳輸、共享和操作?？梢哉f，區(qū)域越大、通信距離越大，所對應(yīng)的系統(tǒng)的框架也越來越復(fù)雜，信息傳輸?shù)哪芎脑酱?，甚至出現(xiàn)信息安全問題。當(dāng)前ZigBee 技術(shù)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，其可以為無線傳感網(wǎng)絡(luò)帶來高通信率、低成本、低速率等優(yōu)勢，更是能夠降低能耗，打造出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過布置大量的ZigBee 節(jié)點來滿足數(shù)據(jù)信息的采集和傳輸處理。因此非常適用于大型的監(jiān)控場所。

圖1：網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2：網(wǎng)關(guān)軟件應(yīng)用流程

2 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足農(nóng)場環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、實現(xiàn)對農(nóng)田信息的實時采集和處理功能，用戶通過移動終端設(shè)備實時訪問田間信息等GPS 定位功能。因此農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要是由監(jiān)控層、以太網(wǎng)傳輸層、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸層組成，具體包括ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場無線定位子系統(tǒng)、還有以太網(wǎng)傳輸子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等4 個部分。

3 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計分析

3.1 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

在農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)中需要3 種現(xiàn)場設(shè)備，分別為網(wǎng)關(guān)、路由器以及移動終端節(jié)點。

3.1.1 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，通過網(wǎng)關(guān)能夠建立起核心控制器，完成對所有數(shù)據(jù)的傳輸和應(yīng)用。在該系統(tǒng)中主要采用的單片機為MSP430FG4618 低功耗單片機，ZigBee 芯片選為CC2420，通過嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對ISA 總線的連接，不需要經(jīng)過其他的邏輯轉(zhuǎn)換，有效大大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控、跟蹤處理的效率。在ZigBee 芯片的型號選擇中，其主要是利用芯片的多個引腳串口同其他的傳感器芯片的串口相連接，讓傳感器芯片以及系統(tǒng)的其他數(shù)據(jù)模塊的能夠同無線網(wǎng)絡(luò)中心系統(tǒng)實現(xiàn)互相訪問和數(shù)據(jù)傳輸，具體網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3.1.2 路由器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)中路由器硬件主要是采用CC2430，該芯片擁有8 路AD 輸入，能夠滿足農(nóng)場內(nèi)的多種電路信息采集的需求，保障整個農(nóng)場的信息通信的可靠性。同時路由器還可以增加射頻前端芯片實現(xiàn)整個農(nóng)場的通信的可靠性和安全性。

3.1.3 傳感器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

終端的硬件結(jié)構(gòu)主要是采用CC2431 芯片，其擁有g(shù)ps 定位引擎，在農(nóng)場經(jīng)濟中，人們要是迷路了可以通過gps 定位的方式，隨時掌握自己在農(nóng)場中的位置，同時還可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行農(nóng)作物的生長情況的跟蹤，一旦出現(xiàn)農(nóng)作物生長故障可以直接采用預(yù)警的方式，實現(xiàn)對農(nóng)場內(nèi)農(nóng)作物的監(jiān)督管理。

另外在系統(tǒng)中還涉及到一些其他的模塊設(shè)計，如，電源模塊設(shè)計，由于農(nóng)場占地面積較大，環(huán)境較為特殊，其供電模塊是采用太陽能電池與普通干電池相結(jié)合的方式，在該電源模塊設(shè)計中，其能夠滿足數(shù)公里距離的遠(yuǎn)距離傳輸。

3.2 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)是以ZigBee 2006 協(xié)議棧為基礎(chǔ)設(shè)計的。

3.2.1 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的實現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)組建ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)連接起遠(yuǎn)程監(jiān)控主機，實現(xiàn)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)同以太網(wǎng)之間通信交換。網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的流程如圖2 所示。在網(wǎng)關(guān)軟件應(yīng)用實現(xiàn)中，通過建立起一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee 接口實現(xiàn)同監(jiān)控主機的連接，當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到農(nóng)場的各個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時，按照系統(tǒng)協(xié)議，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理發(fā)送到監(jiān)控主機中，而監(jiān)控主機通過對數(shù)據(jù)的分析，將相關(guān)指令再次發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)的各個指定節(jié)點中。在該系統(tǒng)中指令格式有三種，可以隨意提取某一個時間節(jié)點的信息，還可以在實現(xiàn)信息的撤離，對于數(shù)據(jù)采集的周期進(jìn)行設(shè)置等。網(wǎng)關(guān)軟件正是通過這些功能滿足農(nóng)場信息的智能化采集和處理。

3.2.2 ZigBee 節(jié)點應(yīng)用程序的實現(xiàn)

ZigBee 節(jié)點就是實現(xiàn)農(nóng)場區(qū)域內(nèi)多種環(huán)境數(shù)據(jù)采集、提供路由服務(wù)的重要軟件，其能夠從CC2430 芯片中讀取到各種空間數(shù)據(jù)位置數(shù)據(jù)，以及各種代碼內(nèi)容。

3.2.3 傳感器應(yīng)用程序的實現(xiàn)

各種傳感器在智能農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，當(dāng)前在移動傳感器的農(nóng)場環(huán)境參數(shù)、農(nóng)作物動態(tài)生長數(shù)據(jù)等的采集和應(yīng)用。

3.3 農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程監(jiān)控主機的實現(xiàn)

監(jiān)控主機主要采用VC++編程方式，為農(nóng)場經(jīng)營管理者提供直觀、形象的計算機界面，即所有采集監(jiān)控到的數(shù)據(jù)信息都能夠以可視化的格式呈現(xiàn)出來，方便監(jiān)控主機進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，為各種ZigBee 節(jié)點下達(dá)指令。

4 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試與實現(xiàn)

在ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的支持下，農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了優(yōu)化升級。

4.1 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試

該系統(tǒng)在我國農(nóng)場經(jīng)營中投入調(diào)試運行。在運行時，系統(tǒng)能夠開啟監(jiān)控主機和農(nóng)場網(wǎng)絡(luò)節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)入到正常的運行狀態(tài)下，而監(jiān)控主機以可視化的效果將農(nóng)場內(nèi)的農(nóng)作物生長以及農(nóng)場工作人員的位置信息等呈現(xiàn)給用戶。如，農(nóng)場的智能灌溉系統(tǒng)中，農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)首先會根據(jù)農(nóng)場中農(nóng)田分布情況、管道分布情況等，借助現(xiàn)有的ZigBee 無線節(jié)點系統(tǒng)建立起有效的通信距離，將農(nóng)田灌溉區(qū)域分為多個獨立的控制單元分區(qū)，在每一個分區(qū)設(shè)置一個傳輸基站、多個數(shù)據(jù)采集站，在借助各種溫度、濕度傳感器，展開對農(nóng)田土壤濕度參數(shù)的監(jiān)測，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)，將這些土壤數(shù)據(jù)信息定時傳輸給基站，傳輸基站將數(shù)據(jù)進(jìn)行第一級融合后以Ad hoc 的方式上傳給數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心所擁有的高處理效率能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行聚類存儲和分析，并且按照一定算法實現(xiàn)第二級融合，做出初步判決，并將判決結(jié)果連同部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過光纖以太網(wǎng)或者GPRS 模塊傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)測站，由農(nóng)場智能管理系統(tǒng)的工作人員進(jìn)行最后的判決處理，將信息反傳給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)判決結(jié)果向電磁閥控制端發(fā)送控制指令;電磁閥控制端根據(jù)接收到的控制指令執(zhí)行灌溉控制，到此，一個完整的農(nóng)場智能灌溉系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)工作過程結(jié)束。

4.2 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢

可以說基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)在性能上、結(jié)構(gòu)上更加完善。

4.2.1 數(shù)據(jù)集成化處理

在大數(shù)據(jù)時代下，智能監(jiān)控系統(tǒng)首先面臨著海量數(shù)據(jù)收集和處理的困境，以及數(shù)據(jù)傳輸較慢，出現(xiàn)數(shù)據(jù)安全性問題。而基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)下的農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)擁有處理器和無線發(fā)射器，其能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓下的低功耗運行，實現(xiàn)ZigBee 協(xié)議的物理層及媒體訪問控制層的同時運行，從而該模塊在體積上呈現(xiàn)出小型化發(fā)展。

4.2.2 傳感器的多樣化

在農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中面臨著眾多的無線傳感器設(shè)備，其需要滿足各種信息數(shù)據(jù)的采集。在ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下，其滿足了多種傳感器的接入和應(yīng)用。如，SHT 系列空氣溫濕度傳感器、光照傳感器等專業(yè)化程度較高的傳感器設(shè)備。

4.2.3 實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳輸

由于ZigBee 技術(shù)是無接觸性的信息傳輸，在運輸過程中會受到一些干擾或者是障礙物的影響。而ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠在遠(yuǎn)距離的傳輸中表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，不會輕易受到外界干擾，從而確保正常通訊。更重要的是，ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中所采用的各種芯片硬件都具有低能耗的特點，因此可以解決傳輸距離增加所帶來耗電量問題。

5 結(jié)束語

綜上所述，在農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)中，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以結(jié)合全球定位系統(tǒng)、遙感監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)等搭建起更加全面的具體的智能監(jiān)控系統(tǒng)，從而打造出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)形式，滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展需求。