摘要：为了提高农业生产效率，降低人工劳动量，实现农业生产的智能化，设计了基于ZigBee无线传感器网络的智能农业管理系统。系统实现了对设施农业的空气温度、土壤温湿度、光照度、CO2浓度等数据信息的采集、传输和处理，并能对农作物生长环境进行自动调节，使农作物处于最佳生长环境，有效提高农作物产量，具有很高的实用推广价值。
关键词：ZigBee；智能农业；温湿度；继电器；管理系统
中图分类号：S126；TP23 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）03-0681-04
随着科技的发展，农业生产的现代化程度越来越高。采用科学的方法对农业生产进行智能化管理，准确地对设施农业中的各种环境参数进行监控、获取、控制和调整，能使农作物处于最佳的生长环境，使农作物优质高产[1]。
目前，基于无线传感器网络的农业监测系统的研究比较多[2]，但对于智能农业的研究相对较少，并且很多研究成果都不具有实际可操作性。设计一种基于ZigBee无线传感器网络的智能农业管理系统，将ZigBee技术用于农业系统中对温度、湿度、CO2浓度、光照度等环境因子进行监测，并通过网络将数据传送给管理者，管理者通过计算机或智能手机的系统软件对数据进行分析和处理，实时地了解环境参数值。当系统对数据进行分析后，如果发现某一环境参数超出预设范围，则会发出报警信号和信息来提示管理者，管理者可以直接通过计算机或手机发出控制命令，进而控制加热器、鼓风机、水泵和遮阳网等设备工作，同时采集环境参数，使环境参数达到适当的范围，从而提高农业生产效率，降低人工劳动量，实现农业的智能化管理。
1 ZigBee技术简介
ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4协议标准新兴的短距离、低复杂度、低成本、低功耗、双向无线通信技术[3]。ZigBee可在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz等3个免费频段上工作，并且最高传输速率分别可达250、20和40 kb/s，其各自信道的带宽也不同，分别设有16、1和10个信道。ZigBee根据输出功率和信道环境的不同，可靠传输距离为10～75 m，一般在30 m左右。耗电量在休眠状态下仅为1 μW。在短距离通信的情况下，其工作状态的耗电量为30 mW[4]。为了避免发送数据时的竞争与冲突，ZigBee的介质接入控制子层（MAC）采用了载波监听多路访问/冲突防止（CSMA/CA）的碰撞避免机制。ZigBee联盟在ZigBee的网络层（NWK）制定了星型、树型和网状网3种网络拓扑结构[5]。每个ZigBee网络最多可支持65 000个节点。因此， ZigBee的技术特性决定了它是无线传感器网络的最佳选择。
2 系统设计
2.1 系统总体结构
智能农业管理系统由ZigBee无线传感器网络、管理中心、终端控制设备3部分组成。系统总体结构图如图1。
ZigBee无线传感器网络通常由网关、路由节点和终端节点构成，网络中通常只有一个节点作为网关，它是网络的核心，负责建立无线网络；路由节点是无线网络中的无线收发器，它负责维护网络内路径和转发通信，并可以对传感器进行配置使其具有数据采集功能；终端节点与路由节点或网关建立连接，配置传感器使其采集数据并配置控制设备。为了降低能量损耗和数据丢失，设计采用了树型网络结构。网络中路由节点和终端节点都配备了传感器，对环境参数进行数据采集。部分终端节点配备了继电器，对鼓风机、水泵、加热器和遮阳网等设备进行控制。
管理中心的PC机或智能手机通过设计的系统软件对传送来的数据进行分析、处理、存储、显示并判断是否超过预警值，如果超过预警值报警并启动继电器，使控制设备开始工作，调整环境参数。
终端控制设备主要是鼓风机、水泵、加热器和遮阳网等设备。通过配备在部分终端节点的继电器对其进行控制，使其对环境参数进行适当调整。
2.2 系统硬件设计
2.2.1 无线传感器节点硬件设计 无线传感器节点主要由供电模块、无线通信模块、串口模块和终端节点模块组成。结构框图如图2。
供电模块主要负责给各个传感器节点提供电源。由于ZigBee具有低功耗的优点，系统采用太阳能电池和5 V锂电池供电。阳光充足时采用太阳能电池供电，阳光不足时采用5 V锂电池供电，锂电池供电可以持续使用6个月到两年。通过AMS1117_3.3芯片可为系统提供3.3 V的直流电压；通过LM2585芯片可为传感器提供5～24 V的工作电压。
无线通信模块主要以CC2430芯片为核心[6]，负责信息和数据的收发，并与其他节点进行无线通信。CC2430是TI公司生产的一种包含了一颗小巧高效的8051控制器和一个高性能2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心的芯片，它能满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM频段应用。它使用一个8位低功耗、高性能的MCU（8051），具有32/64/128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，还包含4个定时器、模/数转换器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、掉电检测电路、上电复位电路以及21个可编程I/O引脚等。CC2430芯片的外围电路非常简单，只需少量的外围元器件就能实现对数据的收发和处理，进行无线通信。
串口模块主要是网关，负责无线通信模块和与PC机之间的通信。
终端节点模块主要是终端节点上配置的空气温度传感器、土壤温湿度传感器、CO2浓度传感器和光照度传感器以及部分终端节点上配置的继电器，负责采集环境参数数据和控制加热器、水泵、鼓风机和遮阳网等设备。
2.2.2 CC2430与传感器的连接方式 结合CC2430芯片自身强大的功能特性[7]和系统对低功耗、高精度、高可靠性和低成本的要求，温度传感器选用DS18B20、温湿度传感器选用SHT11、CO2浓度传感器选用B-530、光照度传感器选用TBQ-6。CC2430芯片与传感器的连接电路如图3。
2.2.3 继电器的驱动电路 加热器、水泵、鼓风机和遮阳网等设备的工作状态都是通过继电器进行控制的。由于CC2430输出的电平值较低，在CC2430和继电器之间要加驱动电路。CC2430输出的控制信号给驱动电路发送控制命令，通过驱动电路来控制继电器中电磁线圈的断开与闭合，从而控制加热器、水泵、鼓风机和遮阳网等设备的工作状态。继电器的驱动电路如图4。当CC2430输出高电平时，三极管处于导通状态，继电器线圈闭合，电路导通，控制设备开始工作。当CC2430输出低电平时，三极管处于截止状态，继电器线圈断开，电路断开，控制设备停止工作。
2.3 系统软件设计
2.3.1 管理中心软件设计 管理中心系统软件是采用微软公司开发的Visual Basic.NET开发工具进行设计的，对节点采集来的实时数据建立数据库进行统一管理。在管理中心可通过设计的软件界面查询到任何一个传感器节点的位置以及实时环境参数值和历史数据，并且软件会自动对传来的实时数据与预设的环境参数值进行比较，如果超过预设的环境参数值，则会报警并发送消息提醒管理者，同时发出信号对终端设备进行控制，自动调节环境参数值。管理中心系统结构图如图5。
2.3.2 无线传感器节点软件设计 无线传感器节点的主要功能是数据采集、网络连接、保持与邻近节点间的通信、检测链路状态和担当部分路由功能。为了降低系统功耗，可采用定时采集数据的方式。在传感器节点设置断点，间歇性采集和发送数据，每完成一次数据采集和发送后进入一段休眠状态，直到下次中断到来唤醒休眠状态，进入工作状态[8]。传感器节点软件设计流程图如图6。
3 测试数据
管理中心对各节点的数据显示界面如图7。启动后显示各节点的实时数据，并对历史数据进行储存，以便分析研究。通过设置按键可对系统各环境参数初始值进行修改、设定。当环境参数值超过预设范围，界面进行显示，报警装置开始工作，提醒工作人员做出相应的处理，并启动终端控制设备对环境参数进行自动调节。
4 小结
基于ZigBee的智能农业管理系统的设计，充分利用了ZigBee技术低成本、低功耗、节点能够自组网[9]和数据传输安全可靠等优点，实现了对设施农业中的各种环境参数值进行监控、获取、控制和自动调整等智能化管理，从而使农作物处于最佳的生长环境中，有利于农作物的优质高产。整个系统结构简单、智能化程度高、成本较低、组网迅速灵活且可靠性高，在农业领域有很高的实用性和可操作性。
参考文献：
[1] 何成平，龚益民，林 伟.基于无线传感器网络的设施农业智能监控系统[J].安徽农业科学，2010，38（8）：4370-4372.
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[3] 纪建伟，鲁飞飞.ZigBee技术在农业环境监测系统中的应用与研究[J].农业网络信息，2011（1）：24-27.
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[5] 韩廷阁，李书琴.基于ZigBee的土壤湿度无线采集系统节点设计[J].农机化研究，2010（12）：154-159.
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[8] 杨 玮，吕 科，张 栋，等.基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发[J].农业工程学报，2010，26（3）：198-202.
[9] 纪建伟，左仲善，邹秋滢.基于ZigBee与嵌入式技术的农业远程监测系统的设计[J].中国农机化，2010（6）：83-86，94.
（责任编辑 王晓芳）