我國是農業大國， 傳統農業在國際市場上的優勢主要依賴于豐富的自然資源和低廉的勞動力成本。隨著物聯網等高新技術的發展，我國傳統農業正在加快向現代農業轉型，而智慧農業將成為現代農業未來發展的趨勢。所謂“智慧農業”就是充分應用現代信息技術成果，集成應用計算機與網絡技術、物聯網技術、音視頻技術、3S 技術、ZigBee無線模塊通信技術及專家智慧與知識，實現農業可視化遠程診斷、遠程控制、災變預警等智能管理。它主要通過各種無線傳感器實時地對農業生產現場的溫濕度、光照、CO2濃度等參數進行ZigBee數據采集，利用視頻監控設備獲取農作物的生長狀況等信息，遠程監控農業生產環境，同時將采集的參數和獲取的信息進行數字化轉換和匯總后， 經傳輸網絡實時上傳到相關農業智能管理系統中；系統按照農作物生長的各項指標要求，精確地遙控農業設施自動開啟或者關閉，實現智能化的農業生產，有效減少成本，提高農作物產量。
1 系統總體設計
基于ZigBee無線模塊傳感網絡的智慧農業監測系統總體結構如圖1 所示，系統主要有ZigBee 傳感器端節點、中心節點、GPRS無線模塊和監控中心組成。ZigBee模塊傳感網絡主要由分布在監測區域的各種傳感器節點和中心節點構成，傳感器節點由各種傳感器和ZigBee數傳模塊組成， ZigBee數傳模塊以星型拓撲結構組網。中心節點節點負責匯集各傳感器節點采集到的數據，并將其通過GPRS傳輸至監控中心。監控中心計算機采用VB工具開發人機交換界面，可接收、處理和顯示各監測區域的各種數據。此外還可直接通過GPRS網絡直接實現手機和中心節點的通信，讓用戶隨時隨地獲取農作物信息。若監測區域擴大時，可通過增加路由器節點來增強網絡的穩定性，如圖1所示。
圖1 系統總體結構設計圖
2 系統硬件設計
無線傳感網絡由多個傳感器節點和一個中心節點構成，傳感器節點也稱設備，可實現農作物環境的ZigBee數據采集。中心節點又稱協調器，系統總體硬件設計圖如圖2 所示。
圖2 系統總體硬件設計圖
本系統中的傳感器節點用TI 公司的CC2530 芯片，它是一種低功耗、低成本的無線微控制器，適用于IEEE 802.15.4協議和ZigBee 軟件應用。CC2530 是一個真正的片上系統(SoC) 解決方案，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點，它結合了領先的RF 收發器的優良性能、業界標準的增強型8051CPU、系統內可編程閃存、8KB RAM、A/D 轉換器以及許多其他強大的功能，并且其具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功：耗要求的系統。圍繞著CC2530 芯片，系統大致可分為三大模塊：CPU 和內存相關的模塊，外設、時鐘和電源管理相關的模塊以及無線電相關的模塊。
主控MCU 選擇意法半導體公司STM32F103RBT6 芯片，它是基于ARM 推出的V7 平臺的Cortex-M3 內核的32 位處理器。該處理器芯片有64 個引腳、51 個I/O 口、128KB Flash、20KB SRAM、3 個串口、2 個SPI 接口、1 個CAN 總線和1 個USB 接口。芯片的數據處理能力為1.25dMi/s MHZ，在72MHZ的工作頻率下，工作電流為36mA，待機時下降到2 mA，是目前32 位處理器市場上功耗最低的產品。其售價接近51 單片機的售價，但它的數據處理能力達到了DSP 的水平，具有較高的性價比和應用前景。
GPRS 無線傳輸選用西門子公司的MC35i GPRS 模塊，主要通過主控制器的串口發送AT 命令實現對模塊的控制，它主要完成與STM32 之間的數據交換。該模塊內嵌TCP/IP協議棧， 能通過移動公司GPRS 網絡與Internet 的PC 機以及用戶手機進行數據交換；SMS 支持PDU 以及Text 模式短信息的發送與接收；內置5K Buffer，使得傳輸數據的最大數據包長度可達1.5K，完全滿足各路傳感器的信息傳輸需要；提供兩個全雙工串口，可實現兩個TCP 通道的同時傳輸。
3 系統軟件設計
3.1 系統通信原理
本系統采用星型網絡拓撲結構， 有一個成為網絡協調器的中心控制器和若干從設備。協調器負責建立和維護網絡，它是全功能設備（FFD），有穩定的電能供給，無需考慮功耗。從設備是采用電池供電的RFD，它只能直接與網絡協調器進行數據通信，從設備之間的通信只能通過協調器轉發。當協調器上電開始工作時， 它就會檢測周圍環境， 選擇合適信道。
IEEE 802.15.4 規范定義了27 個物理信道， 信道編號從0 至26， 每個具體的信道對應著一個中心頻率， 在我國使用的是2.4GHz 頻段，它定義了16 個信道（11~26 號信道）。信道確定后，再選擇一個PAN 標識符，然后建立起自己的網絡。PAN 標識符用來唯一確定本網絡，以和其他的PAN 區分。當有數據要傳送時，設備便從休眠狀態中被喚醒，經過信道掃描，獲得了周圍協調器的有關信息，選擇一個合適的PAN，并開始建立連接，連接通過服務原語傳輸數據服務，使用的原語有請求原語、確認原語、指示原語、響應原語。如果連接建立成功，設備就會獲得一個16 位的短地址碼， 范圍在0X0000~0XFFFD之間。至此，ZigBee 網絡就已構建成功，設備和協調器之間便可進行通信了，設備的ZigBee數據采集數據就可上傳。
3.2 軟件設計
流程在本系統中使用的開發環境是IAR7.6，采用的協議棧為TI 的TI-MAC-1.3.1，軟件流程圖如圖3 所示。
圖3 系統軟件流程圖
4 結語
在“十二五”規劃中明確指出，物聯網是我國新一代信息技術自主創新突破的重點方向，而ZigBee模塊傳感網絡是物聯網發展的中堅力量。本系統中采用時下新興的ZigBee數傳模塊傳感網絡組網，對農農作物的生長環境進行ZigBee數據采集，具有“成本低、功耗低、組網便捷、移動性強、性能穩定、安裝方便等特色與創新之處。與傳統農業相比，本系統更好地實現了“精準農業、智慧農業”，從根本上節省人力、物力、財力，大大加快了建設小康社會的步伐，具有廣闊的應用前景。
基于ZigBee的智慧農業監測系統