摘要：在充分研究現(xiàn)有農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，給出了農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)方案，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于MSP4300和CC2420芯片的傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程，系統(tǒng)可以對目標(biāo)監(jiān)測區(qū)內(nèi)的溫度、濕度、光照度等農(nóng)業(yè)環(huán)境信息進(jìn)行快速、可靠的遠(yuǎn)程采集和傳輸。解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測信息存儲的有限性和移動測量的不便性等問題，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測提供了一種有效的解決方案。

　　關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)ZigBee環(huán)境監(jiān)測

　　1引言

　　精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(PrecisionAgriculture)的基本涵義是根據(jù)作物生長的環(huán)境狀況，調(diào)節(jié)對作物的投入，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境[1]。準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的信息供給是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必須前提。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)首先在于認(rèn)識農(nóng)田內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境和生長情況的差異，而這必須依賴于各種先進(jìn)的傳感器，如大氣溫度、大氣濕度、風(fēng)速、太陽輻射、作物生長情況、作物產(chǎn)量等各種類型傳感器。如何將這些傳感器采集的信息及時(shí)準(zhǔn)確地收集，為農(nóng)業(yè)專家提供決策并制定農(nóng)田變量作業(yè)處方的主要數(shù)據(jù)源和參數(shù)，一直是一個(gè)難題。近年來,出現(xiàn)了許多采用無線公共網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)等無線通訊方式進(jìn)行農(nóng)、林、牧業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)測的研究[2]。這些無線通信技術(shù)的優(yōu)勢是傳輸速度快、信息量大、可遠(yuǎn)距離傳輸，但都存在功耗高、時(shí)延長、通信費(fèi)用高等因素制約，使其很難廣泛地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測中。

　　2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　2.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心服務(wù)器三部分組成。ZigBee明確定義了星形、簇狀和網(wǎng)狀3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。為減小能量損耗和數(shù)據(jù)包丟失，本文采用簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和層次路由協(xié)議。具體做法是將監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)分為若干個(gè)簇，每個(gè)簇相當(dāng)于是一塊較為固定的自組織網(wǎng)絡(luò)。簇的范圍由網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的實(shí)際情況決定。根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中扮演的角色不同，又將它們分為底層普通節(jié)點(diǎn)、簇首以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器3種類型。其中底層普通節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)跳傳至本簇的簇首，簇首主要完成數(shù)據(jù)融合和轉(zhuǎn)寄數(shù)據(jù)包，可以將其所轄簇的底層普通節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)融合處理并發(fā)送給就近的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，同時(shí)還可以將網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送給其的數(shù)據(jù)包向其所轄的簇廣播。簇首應(yīng)位于所劃分的簇的較為中心的位置，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)和它的傳輸距離大致相同，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗分布較為均勻，從而避免某些節(jié)點(diǎn)由于傳輸距離較遠(yuǎn)而造成能量的過多消耗。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建網(wǎng)以及設(shè)備注冊和訪問控制等基本的網(wǎng)絡(luò)管理功能。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.2系統(tǒng)工作過程

　　系統(tǒng)工作時(shí)首先由監(jiān)測中心服務(wù)器發(fā)出對農(nóng)田環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行查詢的請求命令，通過Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)請求命令的具體要求，選擇對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，接著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)命令選擇所要查詢的簇，當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)收到控制命令以后，喚醒并激活本簇內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信。節(jié)點(diǎn)及時(shí)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送給本簇的簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)對傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)回到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，繼而通過外部網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)測中心服務(wù)器。監(jiān)測中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并存入環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，為以后的分析決策提供數(shù)據(jù)資源。

　　3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺。本文中的傳感器節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)采集溫度、濕度、光照度等參數(shù)和數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。主處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理從它自身采集來的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的二進(jìn)制信息，無線通訊模塊負(fù)責(zé)與其他的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)。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(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　3.1.1微處理器模塊

　　由于傳器節(jié)點(diǎn)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(shí)低功耗是一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)。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(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)同時(shí)支持C語言編程[4]。MSP430最顯著的特點(diǎn)就是它的超低功耗，在1.8V~3.6V電壓、1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗電在0.1μA~400μA之間，RAM在節(jié)電模式耗電0.1u。這些特點(diǎn)使得其非常適合于無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

　　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(fā)器，它附合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，能實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議的物理層(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)層，同時(shí)具有低耗電、250kbps傳輸速率、快速喚醒時(shí)間(＜30nm)、CSMA-CA通道狀態(tài)偵測等特性。其外圍電路包括晶振時(shí)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(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

　　在該系統(tǒng)中無線網(wǎng)關(guān)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測中心服務(wù)器的中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)發(fā)送命令、接收下層節(jié)點(diǎn)的請求與數(shù)據(jù)，承擔(dān)著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)交換任務(wù)。網(wǎng)關(guān)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括主處理器、擴(kuò)展存儲器單元、射頻收發(fā)模塊和GPRS通信模塊，另外配有以太網(wǎng)接口以及擴(kuò)展接口等。

　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)工作主要包括ZigBee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)，在ZigBee簇狀網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的功能、地位不同，因而普通傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)又有所不同。在本設(shè)計(jì)中，使用C語言編寫實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議棧，同時(shí)使用處理器自帶的程序存儲器來存儲可配置的MAC地址、網(wǎng)絡(luò)表和綁定表。根據(jù)ZigBee規(guī)范的定義將協(xié)議棧在邏輯分為多個(gè)層，實(shí)現(xiàn)每個(gè)層的代碼位于一個(gè)獨(dú)立的源文件中，而服務(wù)和應(yīng)用程序接口(API)則在頭文件中定義[7]。

　　4.1傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，同時(shí)接收來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)操作。傳感器點(diǎn)上電后首先對MCU初始化，然后加載SPI驅(qū)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(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并申請加入此網(wǎng)絡(luò)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電方式，必須要保證終端節(jié)點(diǎn)的低功耗，因此在設(shè)計(jì)中采用被動喚醒的方式連接協(xié)調(diào)器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。其它時(shí)間則轉(zhuǎn)入低功耗模式，節(jié)點(diǎn)功耗降到最低。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖4所示。

　　4.2網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)

　　作為網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，要承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建與管理和數(shù)據(jù)傳輸二個(gè)重要功能。網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建與管理功能主要是負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址及維護(hù)綁定表。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過掃描一個(gè)空信道來創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)一個(gè)目前連接設(shè)備的列表，支持獨(dú)立掃描程序來確保以前的連接設(shè)備能夠重新加入網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸功能主要是充當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送給無線網(wǎng)關(guān)，或?qū)⒈O(jiān)測中心的監(jiān)測指令發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖5所示。

　　5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

　　5.1系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案

　　傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件使用C語言在MSP430系列單片機(jī)配套的開發(fā)環(huán)境IAREmbeddedWorkbench開發(fā)，利用單片機(jī)本身的JTAG接口，通過TI公司所帶的仿真器FET可以方便的進(jìn)行程序調(diào)試和代碼下載。無線網(wǎng)關(guān)使用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，使用C語言開發(fā)了ZigBee協(xié)議棧和網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序。

　　5.2系統(tǒng)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證系統(tǒng)的各方面性能，于2008年9月5日在蕪湖某花卉生產(chǎn)基地進(jìn)行了實(shí)地監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)場地內(nèi)布置了4傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)，場地的植株高度約為60cm，節(jié)點(diǎn)天線高度為120cm，節(jié)點(diǎn)間的距離約為40米，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集結(jié)果如圖6所示。

　　6結(jié)束語

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，尤其是在艱苦或惡劣環(huán)境條件下，具有傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢[8]。本設(shè)計(jì)將基于ZigBee的無線傳器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境測控，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)作物現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)了簇狀的無線傳器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，完成了傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。這種無線測控的方式相對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)來說，其優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)組建簡單，一次性構(gòu)建成本低，擴(kuò)展性強(qiáng)，靈活性大，能有效地改善現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理模式，并極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效力。

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