摘要：在充分研究現有農業環境監測系統的基礎上，將基于ZigBee的無線傳感器網絡技術應用于精準農業環境監測領域，給出了農業環境監測系統的組網方案，重點設計了基于MSP4300和CC2420芯片的傳感器節點硬件結構和軟件流程，系統可以對目標監測區內的溫度、濕度、光照度等農業環境信息進行快速、可靠的遠程采集和傳輸。解決了傳統農業環境監測信息存儲的有限性和移動測量的不便性等問題，為精準農業環境監測提供了一種有效的解決方案。

　　關鍵詞：無線傳感器網絡精準農業ZigBee環境監測

　　1引言

　　精準農業(PrecisionAgriculture)的基本涵義是根據作物生長的環境狀況，調節對作物的投入，以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環境[1]。準確實時的信息供給是精準農業的必須前提。精準農業的實現首先在于認識農田內農作物生長環境和生長情況的差異，而這必須依賴于各種先進的傳感器，如大氣溫度、大氣濕度、風速、太陽輻射、作物生長情況、作物產量等各種類型傳感器。如何將這些傳感器采集的信息及時準確地收集，為農業專家提供決策并制定農田變量作業處方的主要數據源和參數，一直是一個難題。近年來,出現了許多采用無線公共網絡和無線網絡等無線通訊方式進行農、林、牧業的遠程監測的研究[2]。這些無線通信技術的優勢是傳輸速度快、信息量大、可遠距離傳輸，但都存在功耗高、時延長、通信費用高等因素制約，使其很難廣泛地應用到農業環境監測中。

　　2系統總體設計

　　2.1系統體系結構

　　基于無線傳感器網絡的農業環境監測系統由無線傳器節點、無線網關和監測中心服務器三部分組成。ZigBee明確定義了星形、簇狀和網狀3種拓撲結構[3]。為減小能量損耗和數據包丟失，本文采用簇狀網絡拓撲結構和層次路由協議。具體做法是將監測目標區域中的所有傳感器節點分為若干個簇，每個簇相當于是一塊較為固定的自組織網絡。簇的范圍由網絡覆蓋面積的實際情況決定。根據傳感器節點在網絡中扮演的角色不同，又將它們分為底層普通節點、簇首以及網絡協調器3種類型。其中底層普通節點將采集到的數據跳傳至本簇的簇首，簇首主要完成數據融合和轉寄數據包，可以將其所轄簇的底層普通節點采集的數據融合處理并發送給就近的網絡協調器，同時還可以將網絡協調器發送給其的數據包向其所轄的簇廣播。簇首應位于所劃分的簇的較為中心的位置，使得每個節點和它的傳輸距離大致相同，各個節點的功耗分布較為均勻，從而避免某些節點由于傳輸距離較遠而造成能量的過多消耗。網絡協調器主要負責建網以及設備注冊和訪問控制等基本的網絡管理功能。系統的體系結構如圖1所示。

　　2.2系統工作過程

　　系統工作時首先由監測中心服務器發出對農田環境各項指標進行查詢的請求命令，通過Internet和GPRS網絡傳到網關節點。網關節點根據請求命令的具體要求，選擇對應的網絡協調器，接著網絡協調器根據命令選擇所要查詢的簇，當簇首節點收到控制命令以后，喚醒并激活本簇內的所有節點，進行數據采集和通信。節點及時采集數據，經過數模轉換后發送給本簇的簇首節點，簇首節點對傳來的數據進行融合，然后將融合后的數據發回到網關節點，繼而通過外部網絡傳給監測中心服務器。監測中心對數據進行處理、分析，并存入環境信息數據庫，為以后的分析決策提供數據資源。

　　3硬件系統設計

　　3.1傳感器節點硬件設計

　　傳感器節點是組成無線傳感器網絡的基本單位，是構成無線傳感器網絡的基礎平臺。本文中的傳感器節點是由傳感器模塊、主處理模塊、無線通訊模塊和電源四部分組成。傳感器模塊負責采集溫度、濕度、光照度等參數和數據的模數轉換。主處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理從它自身采集來的數據以及其他節點發送來的二進制信息，無線通訊模塊負責與其他的節點進行通訊，交換控制信息和收發數據。電源部分主要給傳感器模塊、處理模塊、無線通訊模塊供電。其硬件結構如圖2所示。

　　3.1.1微處理器模塊

　　由于傳器節點使用電池供電而且必須長期在野外工作，所以在選擇微處理器時低功耗是一個非常重要的技術指標。MSP430F149是TI公司的一款超低功混合信號控制器，能夠在低電壓下以多種低功耗模式工作，具有強大的處理能力和豐富的片內外設同時支持C語言編程[4]。MSP430最顯著的特點就是它的超低功耗，在1.8V~3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運行，耗電在0.1μA~400μA之間，RAM在節電模式耗電0.1u。這些特點使得其非常適合于無線傳感網絡節點的設計。

　　3.1.2無線通信模塊

　　無線通信模塊中，選用了Chipcon公司的CC2420射頻收發器，它附合IEEE802.15.4標準，能實現ZigBee協議的物理層(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)層，同時具有低耗電、250kbps傳輸速率、快速喚醒時間(＜30nm)、CSMA-CA通道狀態偵測等特性。其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入輸出匹配電路以及微控制器接口電路，和微處理器之間使用4線SPI連接。

　　3.2無線網關的硬件設計

　　在該系統中無線網關是無線傳感器網絡與監測中心服務器的中轉站，負責發送命令、接收下層節點的請求與數據，承擔著無線傳感器網絡中各節點與監測中心的數據交換任務。網關的硬件體系結構如圖3所示，主要包括主處理器、擴展存儲器單元、射頻收發模塊和GPRS通信模塊，另外配有以太網接口以及擴展接口等。

　　4系統軟件設計

　　系統的軟件設計工作主要包括ZigBee協議棧的實現和傳感器節點的程序設計，在ZigBee簇狀網絡中，協調器和傳感器節點在網絡中的功能、地位不同，因而普通傳感器節點與網絡協調器節點的軟件設計又有所不同。在本設計中，使用C語言編寫實現了ZigBee協議棧，同時使用處理器自帶的程序存儲器來存儲可配置的MAC地址、網絡表和綁定表。根據ZigBee規范的定義將協議棧在邏輯分為多個層，實現每個層的代碼位于一個獨立的源文件中，而服務和應用程序接口(API)則在頭文件中定義[7]。

　　4.1傳感器節點的程序設計

　　傳感器節點主要負責采集傳感器數據并將這些數據傳送給網絡協調器，同時接收來自協調器的數據并根據這些數據進行相關操作。傳感器點上電后首先對MCU初始化，然后加載SPI驅動來初始化無線通信模塊CC2420，初始化成功后掃描所有可用信道來尋找臨近的網絡協調器，并申請加入此網絡。由于傳感器節點采用電池供電方式，必須要保證終端節點的低功耗，因此在設計中采用被動喚醒的方式連接協調器接收或發送數據。其它時間則轉入低功耗模式，節點功耗降到最低。傳感器節點的軟件流程圖如圖4所示。

　　4.2網絡協調器的程序設計

　　作為網絡中的協調器，要承擔網絡創建與管理和數據傳輸二個重要功能。網絡創建與管理功能主要是負責組建ZigBee網絡，分配網絡地址及維護綁定表。網絡協調器通過掃描一個空信道來創建一個新網絡，維護一個目前連接設備的列表，支持獨立掃描程序來確保以前的連接設備能夠重新加入網絡。數據傳輸功能主要是充當傳感器節點的數據傳送給無線網關，或將監測中心的監測指令發送給傳感器節點。網絡協調器的軟件流程圖如圖5所示。

　　5系統實現與監測實驗

　　5.1系統軟件實現方案

　　傳感器節點和網絡協調器的軟件使用C語言在MSP430系列單片機配套的開發環境IAREmbeddedWorkbench開發，利用單片機本身的JTAG接口，通過TI公司所帶的仿真器FET可以方便的進行程序調試和代碼下載。無線網關使用Linux作為嵌入式操作系統，使用C語言開發了ZigBee協議棧和網關應用程序。

　　5.2系統監測實驗

　　為了驗證系統的各方面性能，于2008年9月5日在蕪湖某花卉生產基地進行了實地監測實驗。在實驗場地內布置了4傳感器節點和一個網關結點，場地的植株高度約為60cm，節點天線高度為120cm，節點間的距離約為40米，實驗數據的采集結果如圖6所示。

　　6結束語

　　無線傳感器網絡在環境監測、生態監控等領域應用日益廣泛，尤其是在艱苦或惡劣環境條件下，具有傳統監測技術不可比擬的優勢[8]。本設計將基于ZigBee的無線傳器網絡技術應用于精準農業環境測控，利用無線傳感器網絡對農作物現場信息進行采集，設計了簇狀的無線傳器監測網絡組網方案，完成了傳感器節點硬件設計和軟件設計。這種無線測控的方式相對于傳統農業來說，其優點在于網絡組建簡單，一次性構建成本低，擴展性強，靈活性大，能有效地改善現有的農業生產管理模式，并極大地提高農業生產效力。

　　參考文獻

　　1劉愛民,封志明,徐麗明.現代精準農業及我國精準農業的發展方向.農業大學學報,2000,(2):24－29.

　　2孟未來,楊大全,周建英.ZigBee網絡在我國精準農業上的應用展.望遼寧農業科學,2007,(3):67－68.

　　3包長春,石瑞珍,馬玉泉.基于ZigBee技術的農業設施測控系統的設計.農業工程學報,2007,23(8):160－164.

　　4胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位單片機.北京:北京航空航天大學出版社,2000.

　　5孟臣,李敏.SHT11數字式溫濕度傳感器原理與應用.世界電子元器件,2003,(8):66－68.

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