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1農業(yè)網絡系統(tǒng)設施

設施農業(yè)是近年來隨著農業(yè)環(huán)境工程技術的突破，迅速發(fā)展起來的一種集約化程度很高的農業(yè)生產技術。由于設施農業(yè)是在人為可控環(huán)境保護設施下的農業(yè)生產，擺脫了傳統(tǒng)農業(yè)生產條件下自然氣候、季節(jié)的制約，以超時令、反季節(jié)生產的設施園藝作物為主，不僅使單位面積產量及畜禽個體生產量大幅度增長，而且保證了農牧業(yè)產品，尤其是蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供應。設施農業(yè)目前已由簡易塑料大棚、溫室發(fā)展到具有人工環(huán)境控制設施的自動化、機械化程度極高的現代化大型溫室和植物工廠。設施農業(yè)在具有高附加值、高效益、高科技含量的設施園藝領域發(fā)展迅速，其栽培對象主要為蔬菜、花卉和果樹。近年來，設施畜牧業(yè)、設施水產養(yǎng)殖也在逐漸興起。

國外對溫室環(huán)境控制技術研究較早，始于上世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現場信息并進行指示、記錄和控制。80年代末出現了分布式控制系統(tǒng)，現階段開發(fā)和研究集中于計算機數據采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)、多數據融合技術等[1，2]。目前，世界各國的溫室控制技術發(fā)展很快，一些國家在實現自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。鑒于此，本文提出了一種基于無線傳感網絡的設施農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設計。

2無線傳感網絡系統(tǒng)組成

無線傳感網絡(WirelessSensorNetworks,WSN)是在片上系統(tǒng)（SOC，SystemonChip）、微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、無線通信和低功耗嵌入式技術基礎上發(fā)展形成新型應用技術，融合了傳感器技術、信息技術和網絡通信技術，由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡，其網絡拓撲動態(tài)變化，具有隨機部署、自組織、分布式結構、等特點、智能型、健壯性、成本低、環(huán)境適應性強等優(yōu)點[3，4]。

無線傳感網絡系統(tǒng)由網關/匯聚節(jié)點（sink）、傳感器節(jié)點、管理節(jié)點組成（圖1）。其中，網關節(jié)點負責對各節(jié)點傳感器數據的收集、處理及與外網的通信，作為數據采集的傳感器節(jié)點響應網關的請求，搜集周圍的信息，如溫度、濕度等；同時還要兼具有路由功能，通過路由協議直接或者通過作為多跳中轉者的節(jié)點中轉到sink節(jié)點，再借助臨時建立的sink鏈路把整個區(qū)域內的數據傳輸到遠程中心；管理節(jié)點接收各點數據，進行分析和處理。各節(jié)點采用撒播、人工埋置等方式隨意散落在監(jiān)控區(qū)域，并自組織成網絡。

3硬件設計

該監(jiān)控系統(tǒng)由無線傳感器網絡、管理節(jié)點及各種執(zhí)行機構等組成，各傳感器節(jié)點負責數據的獲取及傳送，管理節(jié)點實時顯示獲得的數據并進行相應處理，結合農業(yè)專家系統(tǒng)對相關量進行控制。

3.1傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點之間通信采用基于Zigbee技術的CC2530芯片實現（圖3所示）。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的一種短距離的無線通信技術，具有低功耗、低速率、低成本、低復雜度等特點。Zigbee遵循開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型，協議棧包括物理層、媒質訪問控制層、網絡層和應用層，支持自組織網絡技術；通訊距離從標準的75m到2km，并且支持無限擴展；工作頻率為2.4GHz和868/928MHz，主要面向消費電子、家居和樓宇自動化、工業(yè)控制、計算機外設、醫(yī)療護理等領域的應用[5]。

CC2530是TI公司生產的一款基于具有SOC（片上系統(tǒng))，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標準，芯片集成了2.4GHz直接序列擴頻RF收發(fā)器、工業(yè)級增強型805l微處理核、高達256KB閃存、8KBRAM、8通道12位A/D轉換器，2個USART接口，21個通用接口GPIO等，四種供電模式，具有較高的無線接收靈敏度和抗干擾性能，傳輸距離大于75m，最高傳輸速率250Kbps。CC2530工作溫度為-40℃～+125℃，工作電壓2.0～3.6V，休眠時功耗電流可降低到0.6μA[6]。電源模塊由可充電電池、太陽能電池和電源管理單元構成，確保各節(jié)點長時間穩(wěn)定工作。

3.2網關/匯聚節(jié)點

網關/匯聚節(jié)點設計如圖4所示，RS232接口與DM9161芯片[7]連接，實現網絡的接入；顯示模塊用于通信流量、網絡狀態(tài)監(jiān)測，便于網絡安裝調試和故障診斷。

3.3檢測參數及傳感器節(jié)點的設置

設施農業(yè)中檢測的參數有溫度、濕度、光照度、CO2、土壤水分、土壤溫度、土壤養(yǎng)分、各種被控對象的開關量等。由于無線傳感網絡采用電池供電，傳感器選擇時要考慮功耗等因素；另外，不同參數在測點分布及數量配置不盡相同，在設置節(jié)點時可適當整合，在滿足要求的情況下提高復用率，具體如下：

①溫、濕度節(jié)點：用于溫室溫、濕度監(jiān)測，溫度傳感器選用單總線數字式DS18B20，測溫范圍為-55℃～+125℃，精度±0.5℃，分辨力最高達±0.0625℃，響應時間＜1s。濕度傳感器選擇頻率輸出濕度模塊HF3226，HF3226采用濕敏電容HS1101設計制造，具有寬量程：10～95%RH，性能穩(wěn)定，體積小，比例線性的頻率輸出，精度±5%RH，工作溫度范圍–40～80℃。

②光照度、CO2節(jié)點：傳感器采用PD-LL，測量范圍0-20000lux，精度：±2%。CO2傳感器選擇TGS4160固態(tài)電化學型氣體敏感元件，測量范圍：0～5000ppm；加熱器電壓：5.0±0.2VDC；加熱器電流：250mA；加熱器功耗：1.25W；使用溫度：-10～＋50℃。

③土壤溫度、水分、養(yǎng)分節(jié)點：土壤水分傳感器選擇AQUA-TEL，適用于測量任何類型土壤的體積含水量，測量范圍：0-100%，誤差<3%，重復性誤差<1%；土壤養(yǎng)分的測定包括土壤有機質、pH值、氮、磷、鉀以及交換性鈣和鎂的檢測，可采用離子、生物傳感器。

④開關量節(jié)點：包括天窗、濕簾、噴灌等狀態(tài)檢測，提供控制系統(tǒng)輔助信息，可用接近開關或光電開關實現。

4軟件設計

4.1監(jiān)控系統(tǒng)軟件

監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設計，基于VC++6.0編寫，采用數據庫操作方式實現節(jié)點數據存儲和讀取，并對相應參數進行控制。系統(tǒng)分為通信模塊、數據顯示模塊、數據庫管理及歷史記錄查詢模塊、農業(yè)專家決策系統(tǒng)和控制模塊。

4.2傳感器網絡節(jié)點程序設計

傳感器節(jié)點的主要工作是數據采集、網絡連接并承擔部分路由功能，保持與臨近節(jié)點的通信，檢測鏈路狀態(tài)等。為降低網絡的平均功耗、實現自適應組網，可采用LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)自適應的分簇拓撲算法[8]，選舉產生簇頭，由簇頭簇區(qū)域內的數據收集和融合并傳送至匯聚節(jié)點，負責路由選擇等工作。簇頭可動態(tài)產生。

5結束語

無線傳感器網絡融合了傳感器技術、信息技術和網絡通信技術，各傳感器分工協作，自主組網，網絡拓撲動態(tài)變化，具有隨機部署、自組織、分布式結構、智能型、健壯性、成本低、環(huán)境適應性強等特點。ZigBee是一種新興的短距離、低成本和低功耗的無線網絡技術，相比于WiFi、Bluetooth等無線網絡系統(tǒng)，ZigBee協議的復雜度大大降低。基于ZigBee技術的無線傳感網絡，具有組網簡單、費用低、易擴展、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。文章提出了一種基于無線傳感網絡技術的設施農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，順應設施農業(yè)環(huán)境監(jiān)控自動化、智能化和網絡化的發(fā)展趨勢，具有廣泛的應用前景和推廣價值。如果對傳感器節(jié)點稍加修改，重新配置，可應用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、工業(yè)自動化等領域。