電子技術、感測器技術及網路技術的發展促進了農業資訊化水平的提高，以資訊網路為中心的智慧農業、精準農業等一系列新的農業生產模式已成為當前研究的熱點。通過大量遍佈於農田、溫室大棚等目標區域的感測器，實時採集諸如溫度、溼度、光照、有害氣體濃度、土壤水分及ｐＨ 值等資訊並彙總到控制中心，由專家決策系統及時、準確地發現問題，根據需要控制相關裝置進行調溫、調光、澆灌、換氣，實現農作物生長環境的智慧化控制，從而有效提高農業生產效率和農產品質量。 傳統的農業環境監測系統大多采用ＲＳ４８５ 和現場匯流排佈網，佈線麻煩，安裝、維護成本高且擴充套件不易。針對這一問題，本文提出了一種基於的無線感測器網路解決方案，解決了上述傳統農業環境監測組網過程中的一系列問題

，提高了農業生產的智慧化水平。

１ ＺｉｇＢｅｅ 無線模組組網

ＺｉｇＢｅｅ 即ＩＥＥＥ８０２.１５.４，是一種介於無線標識和藍芽之間的無線通訊技術，具有低成本、低功耗、近距離、易應用等特點。它採用直接序列擴頻技術，以２.４ ＧＨｚ 為主要頻段，在數千個微小感測器之間相互協調通訊，通過無線電波以接力的方式傳遞資料，形成一個多跳的自組織網路系統。ＩＥＥＥ８０２.１５.４ 定義了三種裝置型別：協調器、路由器和終端節點，這三者的硬體結構相同，通過軟體配置不同的裝置功能。１ 個網路由１ 個協調器和若干個終端節點組成，最多支援６５ ５３５ 個終端節點。 終端節點連線著各種型別的感測器

，將採集到的資料無線傳送到協調器，在空曠地帶其傳輸距離可達上百米。若需擴大網路覆蓋範圍或增加傳輸距離，可在網路中增加路由器以實現訊號的中繼轉發。按照不同的應用環境，支援三種網路拓撲結構，即星型、網狀和簇狀，本設計中選用星型網路拓撲結構。

２ 總體設計方案

ＺｉｇＢｅｅ 無線模組感測器網路在智慧農業中的應用系統由無線監測網路和控制中心兩部分組成，如圖１ 所示。

圖１ 系統總體設計方案

大量分佈於監測區域的無線感測器網路終端節點負責對溫度、溼度、有害氣體濃度等農情資訊進行並以無線方式傳送給ＺｉｇＢｅｅ數傳模組網路協調器

，協調器將接收到的資料通過閘道器經由乙太網傳輸至控制中心，控制中心對資料進行儲存、分析以及處理後，由專家決策系統發出反饋指令，以此構建出包含完整的、資訊可控的採集—傳輸—處理—決策—反饋控制等一系列流程的應用系統。

３ 系統硬體電路設計

３.１ ＺｉｇＢｅｅ 無線模組

目前，常見的ＺｉｇＢｅｅ 無線模組通訊解決方案有兩種，即ＺｉｇＢｅｅ 晶片＋ＭＣＵ 解決方案和單晶片解決方案。為簡化電路，設計中選擇第二種方案。ＣＣ２５３０ 是由ＴＩ 公司推出的第二代ＺｉｇＢｅｅ 無線射頻晶片，執行Ｚｉｇ-Ｂｅｅ２００７ 協議棧ＺＳｔａｃｋ，工作電壓範圍為２.０～３.６ Ｖ。作為高度整合的解決方案，ＣＣ２５３０ 集成了業界領先的ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）收發器以及增強型單週期８０５１ 核心，內部Ｆｌａｓｈ 容量可選，支援系統線上程式設計，感測器可通過單匯流排與ＣＣ２５３０ 的Ｉ／Ｏ 埠連線，其典型應用電路如圖２ 所示。

圖２ ＣＣ２５３０ 的典型應用電路

３.２ 閘道器設計

閘道器用於實現乙太網和無線感測器網路之間協議、地址的轉換和路由等功能，負責將協調器收集到的資料經乙太網傳輸給控制中心，同時也用於將控制中心的指令傳送到終端節點，工作任務繁雜，介面電路較為複雜且需要有完善的網路協議棧支援。因此，在硬體選型上採用以３２ 位微處理器ＡＴ９１ＡＲＭ９２００ 為核心的開發平臺，設計中使用核心板（ＣＰＵ＋ＳＤＲＡＭ＋ＦＬＡＳＨ）加底板（外圍介面電路）的硬體組成方案，要滿足不同需求的應用，只需增加功能底板上的介面電路即可，如圖３ 所示。

圖３ 閘道器硬體結構圖

４ 系統軟體設計

系統軟體設計主要包括閘道器軟體、ＺｉｇＢｅｅ數傳模組節點軟體和上位機介面三個部分。其中，閘道器軟體設計主要包括基於ＡＴ９１ＡＲＭ９２００ 微處理器的ＡＲＭ－Ｌｉｎｕｘ 軟體開發平臺的建立以及資料串列埠收發程式的設計，其設計方法可參考文獻。

４.１ ＺｉｇＢｅｅ 節點軟體設計

ＺｉｇＢｅｅ數傳模組節點軟體設計使用ＩＡＲ 整合開發環境在ＺＳｔａｃｋ－ＣＣ２５３０－２.３.０協議棧基礎上完成。

ＺＳｔａｃｋ 協議棧是ＺｉｇＢｅｅ 網路各層協議的集合，以函式的形式出現，並提供給使用者應用層的應用程式程式設計介面（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＡＰＩ），只需在應用層函式中加入感測器的讀取函式就可實現資料的無線收發。協調器是ＺｉｇＢｅｅ數傳網路的核心，負責網路的建立與維護。上電初始化後，協調器會選擇一個空閒通道建立並偵聽網路，當有終端節點裝置申請加入網路時，協調器將為該終端節點裝置分配一個１６ 位的網路地址並允許其加入網路。組網結束後，協調器接收來自終端節點的資料，並通過ＲＳ２３２ 介面傳送給閘道器，軟體設計流程如圖４（ａ）所示。

終端節點感測器負責對環境資訊進行ＺｉｇＢｅｅ資料採集，並以無線方式傳送給協調器，在上電初始化後，終端節點掃描通道並選擇一個網路加入，成功入網後，進入休眠狀態，由定時器按照一定的時間間隔將其喚醒上傳資料到協調器，軟體設計流程如圖４（ｂ）所示

（ａ）協調器 （ｂ）終端節點

圖４ ＺｉｇＢｅｅ 節點軟體設計流程

４.２ 上位機介面設計

上位機軟體採用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６.０ 開發，用於顯示農作物生產環境監測資料，當監測到的環境資料超出預設值範圍後，可啟動相應裝置調節環境引數，介面如圖５ 所示。

圖５ 上位機監測軟體介面

５ 結語

ＺｉｇＢｅｅ無線模組感測器網路與農業生產相結合，為精準農業、智慧農業等由概念走向應用提供了技術平臺。通過感測器網路對農作物生產環境資訊進行，及時準確地發現問題，減少人工操作的盲目性，指導農業生產，提高農產品質量及生產效益，使以人力為主的傳統農業生產模式逐漸向以資訊科技為中心的現代農業生產模式轉變。該系統可以解決ＲＳ－４８５ 和現場匯流排佈網中區域廣、佈線難的問題，具有監測點設定靈活、移動性好、維護方便等優點，可在智慧農業中推廣應用。