0 引言
監(jiān)控系統(tǒng)在智能農(nóng)場的功能發(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)場內(nèi)地形情況、環(huán)境因素十分復雜，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，不能及時有效的進行監(jiān)測，造成農(nóng)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(yīng)對智能農(nóng)場監(jiān)測的實際情況，綜合運用ZigBee模塊、計算機控制技術(shù)和GPRS 技術(shù)，提出一個遠程監(jiān)控技術(shù)。能夠進行參數(shù)實時監(jiān)測、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 即無線局域網(wǎng)，在局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)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(wǎng)僅適合近距離的傳輸，但其依然有很多弊端。第一，無線技術(shù)的設(shè)備設(shè)計和軟件開發(fā)很復雜；第二，在網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點RF 模塊花費很高；最后，此技術(shù)有很大的耗電量。因此，為了保護環(huán)境節(jié)能減排，系統(tǒng)一般都會使用太陽能電池，而無線局域網(wǎng)的能耗導致太陽能電池無法應(yīng)用。
1.2藍牙技術(shù)
藍牙技術(shù)即Bluetooth，同樣也是一種短距離的無線電傳輸技術(shù)，其傳輸距離與無線局域網(wǎng)差不多，在十米左右。無法進行很遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。可以再移動電話、平板電腦、筆記本等設(shè)備之間進行信息交換，藍牙技術(shù)的出現(xiàn)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(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，通常要在無線傳感網(wǎng)中配置很多的傳感器節(jié)點，以保證測量結(jié)果的準確性。
但藍牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備需要有線，因此就會嚴重限制此技術(shù)在低速控制系統(tǒng)中的運用。除此之外，在布置網(wǎng)絡(luò)時，還必須考慮到成本的問題，藍牙技術(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、短距離的無線傳輸技術(shù)，此技術(shù)具有其他無線傳輸技術(shù)沒有的優(yōu)點。首先也是最重要的是，ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較簡單，而且其具有遠遠超越無線局域網(wǎng)和藍牙技術(shù)的實用性。ZigBee 技術(shù)還具有很多和其他傳輸技術(shù)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(shù)傳節(jié)點承載的數(shù)據(jù)功率較低，而且在信息傳遞結(jié)束后，ZigBee 數(shù)傳模塊會自動進入睡眠狀態(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)場工作的實際情況，一般來說，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大部分時間節(jié)點都是處在睡眠的狀態(tài)，處于待命的狀態(tài)。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(jié)能減排效果。
3）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議簡單，進一步大大降低了成本。
1.4 GPRS 技術(shù)
通用分組無線服務(wù)技術(shù)簡稱為GPRS。其是移動電話用戶使用的一項移動數(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)點就是能夠?qū)崿F(xiàn)“永遠在線”，無需撥號連接，更加節(jié)約時間，只有在使用時才會存在數(shù)據(jù)傳輸而占用資源。下面簡述GPRS 技術(shù)的優(yōu)勢。
1）相比其他無線網(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，只有用戶在使用時才會占用系統(tǒng)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(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用。
2）傳輸速率得到極大提高，GPRS 技術(shù)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(shè)備瀏覽網(wǎng)頁信息。
3）分組交換式接入網(wǎng)絡(luò)，能夠即時連接，網(wǎng)頁的預覽更加流暢快捷。
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)場的特殊情況，在對無線技術(shù)的選擇上必須嚴格進行，要求性能可靠、穩(wěn)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(shù)的性能比較。
表 1 無線技術(shù)的性能比較
2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
總方案在智能農(nóng)場遠程控制系統(tǒng)中，無線傳感節(jié)點主要分為兩類，就是移動式的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點和固定式的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點，其中固定節(jié)點一般布設(shè)安裝在農(nóng)場的各個控制點及通過定位和測量后確定的監(jiān)控點，移動ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點一般根據(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，根據(jù)值守人員的需要隨身攜帶移動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(nóng)場的控制區(qū)域內(nèi)可以被ZigBee 無線模塊完全覆蓋。
針對農(nóng)場內(nèi)ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)目繁多，分布范圍大等特點，必須要采用GPRS 技術(shù)和ZigBee無線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的形式進行數(shù)據(jù)傳輸。依據(jù)節(jié)點的設(shè)計模式，將數(shù)據(jù)傳輸分為兩部分。首先，是從節(jié)點傳輸?shù)街鞴?jié)點的數(shù)據(jù)，就是利用ZigBee 數(shù)傳模塊把一個區(qū)域里的數(shù)據(jù)集中到一個中心點上；第二部分是將主節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞到監(jiān)控中心，由于具有很遠的距離，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@樣能夠很好的實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳遞，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
整個數(shù)據(jù)是傳輸過程。整個控制系統(tǒng)分為三大部分無線通信系統(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、報警器、ZigBee無線模塊、未處理器模塊組成，各個監(jiān)控點用于環(huán)境監(jiān)測，主要監(jiān)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(shù)據(jù)采集和傳出工作，還必須及時對控制中心發(fā)出的控制信息做出反應(yīng)。其中通信系主要負責數(shù)據(jù)命令的傳輸，監(jiān)控終端使用GPRS模塊進入GPRS 網(wǎng)絡(luò)，然后接入因特網(wǎng)。整個系統(tǒng)的核心是監(jiān)控系統(tǒng)，其要完成對整個農(nóng)場遠程監(jiān)控的控制，對收到的數(shù)據(jù)進行處理分析，并做出相關(guān)指令控制系統(tǒng)進行自動應(yīng)對措施。以及對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行備份。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3.1 分控中心硬件設(shè)計
該農(nóng)場遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點收集的農(nóng)田參數(shù)信息，并發(fā)送數(shù)據(jù)到中心節(jié)點。可以通過多布置子節(jié)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(jié)點在一起的，使用了先進的上位單片機和GPRS 技術(shù)，實現(xiàn)了對農(nóng)場內(nèi)各種環(huán)境量的實時分析，能夠及時處理存在的問題。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)點上，實現(xiàn)計算機串口與主節(jié)點的實時通訊，這樣保證了數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計
一般來說傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點是由處理器、能量供應(yīng)模塊、ZigBee模塊和ZigBee 傳感器模塊組成，其能夠很準確的對環(huán)境各參數(shù)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(fā)出的數(shù)據(jù)請求命令，把所收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。
對于此系統(tǒng)的處理芯片和無線射頻模塊的設(shè)計方案中，重要采用的是CC2530 為核心的構(gòu)造無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，這樣的設(shè)計不但可以滿足系統(tǒng)的無線通信、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
從農(nóng)場內(nèi)的監(jiān)控數(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 無線傳感器模塊相連接而達到的。GPRS 還可以將終端內(nèi)置處理器進行協(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)庫中。
4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計
數(shù)據(jù)的采集處理、無線收發(fā)相關(guān)程序和路由器的算法等是系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要部分，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括3 個部分：
1）節(jié)點數(shù)據(jù)的采集和傳遞；
2）主節(jié)點數(shù)據(jù)收集；
3）將主節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。
一般情況下我們采用c 語言進行開發(fā)。通常來說數(shù)據(jù)中心會采用輪詢的方式，對系統(tǒng)所有從節(jié)點的監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)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(jiān)控只需要重新啟動就行了。
5 結(jié)論
綜上所述，對于農(nóng)場的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要結(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)，實現(xiàn)農(nóng)場內(nèi)土壤、環(huán)境參數(shù)的實時ZigBee數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和預警。
此系統(tǒng)具有非常顯著的優(yōu)點，能夠為現(xiàn)代智能農(nóng)場和旅游觀光型農(nóng)場的日常管理帶來新的發(fā)展模式。