我國是農(nóng)業(yè)大國， 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在國際市場上的優(yōu)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(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的發(fā)展，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加快向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而智慧農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的趨勢。所謂“智慧農(nóng)業(yè)”就是充分應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)成果，集成應(yīng)用計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù)、3S 技術(shù)、ZigBee無線模塊通信技術(shù)及專家智慧與知識，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可視化遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程控制、災(zāi)變預(yù)警等智能管理。它主要通過各種無線傳感器實時地對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的溫濕度、光照、CO2濃度等參數(shù)進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，利用視頻監(jiān)控設(shè)備獲取農(nóng)作物的生長狀況等信息，遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，同時將采集的參數(shù)和獲取的信息進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換和匯總后， 經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)實時上傳到相關(guān)農(nóng)業(yè)智能管理系統(tǒng)中；系統(tǒng)按照農(nóng)作物生長的各項指標(biāo)要求，精確地遙控農(nóng)業(yè)設(shè)施自動開啟或者關(guān)閉，實現(xiàn)智能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有效減少成本，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
基于ZigBee無線模塊傳感網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)主要有ZigBee 傳感器端節(jié)點、中心節(jié)點、GPRS無線模塊和監(jiān)控中心組成。ZigBee模塊傳感網(wǎng)絡(luò)主要由分布在監(jiān)測區(qū)域的各種傳感器節(jié)點和中心節(jié)點構(gòu)成，傳感器節(jié)點由各種傳感器和ZigBee數(shù)傳模塊組成， ZigBee數(shù)傳模塊以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)。中心節(jié)點節(jié)點負(fù)責(zé)匯集各傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，并將其通過GPRS傳輸至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心計算機(jī)采用VB工具開發(fā)人機(jī)交換界面，可接收、處理和顯示各監(jiān)測區(qū)域的各種數(shù)據(jù)。此外還可直接通過GPRS網(wǎng)絡(luò)直接實現(xiàn)手機(jī)和中心節(jié)點的通信，讓用戶隨時隨地獲取農(nóng)作物信息。若監(jiān)測區(qū)域擴(kuò)大時，可通過增加路由器節(jié)點來增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
無線傳感網(wǎng)絡(luò)由多個傳感器節(jié)點和一個中心節(jié)點構(gòu)成，傳感器節(jié)點也稱設(shè)備，可實現(xiàn)農(nóng)作物環(huán)境的ZigBee數(shù)據(jù)采集。中心節(jié)點又稱協(xié)調(diào)器，系統(tǒng)總體硬件設(shè)計圖如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計圖
本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)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(xié)議和ZigBee 軟件應(yīng)用。CC2530 是一個真正的片上系統(tǒng)(SoC) 解決方案，它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，它結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KB RAM、A/D 轉(zhuǎn)換器以及許多其他強(qiáng)大的功能，并且其具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功：耗要求的系統(tǒng)。圍繞著CC2530 芯片，系統(tǒng)大致可分為三大模塊：CPU 和內(nèi)存相關(guān)的模塊，外設(shè)、時鐘和電源管理相關(guān)的模塊以及無線電相關(guān)的模塊。
主控MCU 選擇意法半導(dǎo)體公司STM32F103RBT6 芯片，它是基于ARM 推出的V7 平臺的Cortex-M3 內(nèi)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(shù)據(jù)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(jī)時下降到2 mA，是目前32 位處理器市場上功耗最低的產(chǎn)品。其售價接近51 單片機(jī)的售價，但它的數(shù)據(jù)處理能力達(dá)到了DSP 的水平，具有較高的性價比和應(yīng)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(fā)送AT 命令實現(xiàn)對模塊的控制，它主要完成與STM32 之間的數(shù)據(jù)交換。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧， 能通過移動公司GPRS 網(wǎng)絡(luò)與Internet 的PC 機(jī)以及用戶手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；SMS 支持PDU 以及Text 模式短信息的發(fā)送與接收；內(nèi)置5K Buffer，使得傳輸數(shù)據(jù)的最大數(shù)據(jù)包長度可達(dá)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(xiàn)兩個TCP 通道的同時傳輸。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)通信原理
本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>結(jié)構(gòu)， 有一個成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的中心控制器和若干從設(shè)備。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，它是全功能設(shè)備（FFD），有穩(wěn)定的電能供給，無需考慮功耗。從設(shè)備是采用電池供電的RFD，它只能直接與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從設(shè)備之間的通信只能通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)協(xié)調(diào)器上電開始工作時， 它就會檢測周圍環(huán)境， 選擇合適信道。
IEEE 802.15.4 規(guī)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(yīng)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(biāo)識符，然后建立起自己的網(wǎng)絡(luò)。PAN 標(biāo)識符用來唯一確定本網(wǎng)絡(luò)，以和其他的PAN 區(qū)分。當(dāng)有數(shù)據(jù)要傳送時，設(shè)備便從休眠狀態(tài)中被喚醒，經(jīng)過信道掃描，獲得了周圍協(xié)調(diào)器的有關(guān)信息，選擇一個合適的PAN，并開始建立連接，連接通過服務(wù)原語傳輸數(shù)據(jù)服務(wù)，使用的原語有請求原語、確認(rèn)原語、指示原語、響應(yīng)原語。如果連接建立成功，設(shè)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(wǎng)絡(luò)就已構(gòu)建成功，設(shè)備和協(xié)調(diào)器之間便可進(jìn)行通信了，設(shè)備的ZigBee數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)就可上傳。
3.2 軟件設(shè)計
流程在本系統(tǒng)中使用的開發(fā)環(huán)境是IAR7.6，采用的協(xié)議棧為TI 的TI-MAC-1.3.1，軟件流程圖如圖3 所示。
圖3 系統(tǒng)軟件流程圖
4 結(jié)語
在“十二五”規(guī)劃中明確指出，物聯(lián)網(wǎng)是我國新一代信息技術(shù)自主創(chuàng)新突破的重點方向，而ZigBee模塊傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的中堅力量。本系統(tǒng)中采用時下新興的ZigBee數(shù)傳模塊傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，對農(nóng)農(nóng)作物的生長環(huán)境進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，具有“成本低、功耗低、組網(wǎng)便捷、移動性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、安裝方便等特色與創(chuàng)新之處。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，本系統(tǒng)更好地實現(xiàn)了“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)”，從根本上節(jié)省人力、物力、財力，大大加快了建設(shè)小康社會的步伐，具有廣闊的應(yīng)用前景。
基于ZigBee的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)