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(chǎng)經(jīng)濟(jì)擁有較好的發(fā)展前景，基于農(nóng)場(chǎng)可以發(fā)展旅游業(yè)，同時(shí)還可以發(fā)展各種農(nóng)業(yè)新經(jīng)濟(jì)形式。當(dāng)前在現(xiàn)有的農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理中，涉及到種植、配送、參觀、體驗(yàn)等的活動(dòng)形式，存在著服務(wù)項(xiàng)目繁多、區(qū)域位置大等挑戰(zhàn)，對(duì)此搭建起農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效提高整個(gè)系統(tǒng)的管理效率，提高經(jīng)濟(jì)效益，減少農(nóng)場(chǎng)智能管理的成本支出。而ZigBee 作為一種新型的短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)場(chǎng)環(huán)境信息的全時(shí)性采集，滿足高效率的通信傳輸，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)智能化、自動(dòng)化以及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

1 ZigBee無(wú)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(wú)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(jì)算機(jī)設(shè)備、有線電纜等無(wú)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(gè)方面的功能優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)，在一般的低耗電待機(jī)模式下，ZigBee 技術(shù)的電池仍舊可以支持1 個(gè)節(jié)點(diǎn)工作半年到兩年左右。

（2）具有低成本優(yōu)勢(shì)，在信息時(shí)代，實(shí)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(jiǎn)化協(xié)議降低成本，同時(shí)對(duì)通信控制器的需求不太高，甚至還可以實(shí)現(xiàn)ZigBee 通信協(xié)議專利免費(fèi)。

（3）高容量特點(diǎn)。在大型的行業(yè)領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)智能監(jiān)控系統(tǒng)都需要展開(kāi)對(duì)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(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，滿足多種信息、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。

（4）具有高安全性特點(diǎn)。作為一種近距離、低成本以及低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)還可以實(shí)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(shí)其提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱密碼等，確保該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的安全性。

1.2 無(wú)線傳感器分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)在需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的區(qū)域中布置大量的微型傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的各種信息的全面采集，并且利用無(wú)線通信的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這些信息數(shù)據(jù)的傳輸、共享和操作?？梢哉f(shuō)，區(qū)域越大、通信距離越大，所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)的框架也越來(lái)越復(fù)雜，信息傳輸?shù)哪芎脑酱?，甚至出現(xiàn)信息安全問(wèn)題。當(dāng)前ZigBee 技術(shù)在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，其可以為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)高通信率、低成本、低速率等優(yōu)勢(shì)，更是能夠降低能耗，打造出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)布置大量的ZigBee 節(jié)點(diǎn)來(lái)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(chǎng)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

基于ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足農(nóng)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田信息的實(shí)時(shí)采集和處理功能，用戶通過(guò)移動(dòng)終端設(shè)備實(shí)時(shí)訪問(wèn)田間信息等GPS 定位功能。因此農(nóng)場(chǎng)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸層組成，具體包括ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場(chǎng)無(wú)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(gè)部分。

3 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1 基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

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

網(wǎng)關(guān)是ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)能夠建立起核心控制器，完成對(duì)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(jī)為MSP430FG4618 低功耗單片機(jī)，ZigBee 芯片選為CC2420，通過(guò)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ISA 總線的連接，不需要經(jīng)過(guò)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(hào)選擇中，其主要是利用芯片的多個(gè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)中心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互相訪問(wèn)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(jì)

在農(nóng)場(chǎng)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(chǎng)內(nèi)的多種電路信息采集的需求，保障整個(gè)農(nóng)場(chǎng)的信息通信的可靠性。同時(shí)路由器還可以增加射頻前端芯片實(shí)現(xiàn)整個(gè)農(nóng)場(chǎng)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(jì)

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(chǎng)經(jīng)濟(jì)中，人們要是迷路了可以通過(guò)gps 定位的方式，隨時(shí)掌握自己在農(nóng)場(chǎng)中的位置，同時(shí)還可以通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況的跟蹤，一旦出現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)故障可以直接采用預(yù)警的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)場(chǎng)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(jì)，如，電源模塊設(shè)計(jì)，由于農(nóng)場(chǎng)占地面積較大，環(huán)境較為特殊，其供電模塊是采用太陽(yáng)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(jì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)是以ZigBee 2006 協(xié)議棧為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。

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

網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)組建ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)以太網(wǎng)連接起遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，實(shí)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(shí)現(xiàn)中，通過(guò)建立起一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)ZigBee 接口實(shí)現(xiàn)同監(jiān)控主機(jī)的連接，當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到農(nóng)場(chǎng)的各個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，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(jī)中，而監(jiān)控主機(jī)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，將相關(guān)指令再次發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)指定節(jié)點(diǎn)中。在該系統(tǒng)中指令格式有三種，可以隨意提取某一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的信息，還可以在實(shí)現(xiàn)信息的撤離，對(duì)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(guò)這些功能滿足農(nóng)場(chǎng)信息的智能化采集和處理。

3.2.2 ZigBee 節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

ZigBee 節(jié)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)

各種傳感器在智能農(nóng)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，當(dāng)前在移動(dòng)傳感器的農(nóng)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)、農(nóng)作物動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)數(shù)據(jù)等的采集和應(yīng)用。

3.3 農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控主機(jī)主要采用VC++編程方式，為農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理者提供直觀、形象的計(jì)算機(jī)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(lái)，方便監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，為各種ZigBee 節(jié)點(diǎn)下達(dá)指令。

4 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

在ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的支持下，農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化升級(jí)。

4.1 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試

該系統(tǒng)在我國(guó)農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)中投入調(diào)試運(yùn)行。在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)能夠開(kāi)啟監(jiān)控主機(jī)和農(nóng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)入到正常的運(yùn)行狀態(tài)下，而監(jiān)控主機(jī)以可視化的效果將農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的農(nóng)作物生長(zhǎng)以及農(nóng)場(chǎng)工作人員的位置信息等呈現(xiàn)給用戶。如，農(nóng)場(chǎng)的智能灌溉系統(tǒng)中，農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)首先會(huì)根據(jù)農(nóng)場(chǎng)中農(nóng)田分布情況、管道分布情況等，借助現(xiàn)有的ZigBee 無(wú)線節(jié)點(diǎn)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(gè)獨(dú)立的控制單元分區(qū)，在每一個(gè)分區(qū)設(shè)置一個(gè)傳輸基站、多個(gè)數(shù)據(jù)采集站，在借助各種溫度、濕度傳感器，展開(kāi)對(duì)農(nóng)田土壤濕度參數(shù)的監(jiān)測(cè)，利用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，將這些土壤數(shù)據(jù)信息定時(shí)傳輸給基站，傳輸基站將數(shù)據(jù)進(jìn)行第一級(jí)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(chǔ)和分析，并且按照一定算法實(shí)現(xiàn)第二級(jí)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(guò)光纖以太網(wǎng)或者GPRS 模塊傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站，由農(nóng)場(chǎng)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(gè)完整的農(nóng)場(chǎng)智能灌溉系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作過(guò)程結(jié)束。

4.2 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

可以說(shuō)基于ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場(chǎng)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(shí)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(wèn)題。而基于ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)下的農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)擁有處理器和無(wú)線發(fā)射器，其能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓下的低功耗運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)ZigBee 協(xié)議的物理層及媒體訪問(wèn)控制層的同時(shí)運(yùn)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(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中面臨著眾多的無(wú)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(wú)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳輸

由于ZigBee 技術(shù)是無(wú)接觸性的信息傳輸，在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)受到一些干擾或者是障礙物的影響。而ZigBee 無(wú)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(shì)，不會(huì)輕易受到外界干擾，從而確保正常通訊。更重要的是，ZigBee 無(wú)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(diǎn)，因此可以解決傳輸距離增加所帶來(lái)耗電量問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)中，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以結(jié)合全球定位系統(tǒng)、遙感監(jiān)測(cè)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(jì)發(fā)展需求。