我國是設(shè)施農(nóng)業(yè)大國，近年來各地設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，僅遼寧省今年設(shè)施農(nóng)業(yè)將達(dá)到1 000萬畝[1]。江蘇省以“工業(yè)思維”來轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提出要“用現(xiàn)代物質(zhì)條件、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代經(jīng)營方式武裝和改造農(nóng)業(yè)”[2]。我國雖然是設(shè)施農(nóng)業(yè)的大國，但并非是設(shè)施農(nóng)業(yè)的強(qiáng)國，設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化水平還不高。但我國設(shè)施農(nóng)業(yè)正呈現(xiàn)出規(guī)模化與集團(tuán)化的發(fā)展趨勢，集生產(chǎn)、加工、生態(tài)旅游、服務(wù)等多種功能于一體的現(xiàn)代農(nóng)莊已初現(xiàn)端倪。

    本文針對溫室大棚環(huán)境參數(shù)的檢測與控制，充分利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)一次性構(gòu)建成本低、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)組建、易維護(hù)且擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的多參數(shù)、低成本、集測量與控制于一體的無線測控系統(tǒng),用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控。系統(tǒng)采用ZigBee無線收發(fā)模塊采集溫室大棚中的溫度、濕度、光照等參數(shù)，并將其發(fā)送到ZigBee網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理后通過Internet上傳到上位機(jī)，上位機(jī)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送溫度、濕度、光照等控制命令到ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，控制相應(yīng)設(shè)備以調(diào)節(jié)大棚中相關(guān)環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對溫室大棚的遠(yuǎn)程測量與控制。
1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境測控系統(tǒng)如圖1所示，由無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）和上位機(jī)數(shù)據(jù)中心三部分組成，其中無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)由一個(gè)ZigBee通信模塊和一個(gè)特定功能傳感器組成，測控大棚中的溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)，且每個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)與多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無線連接。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器)和無線測控網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備兩部分。
2.1 ZigBee網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)
    ZigBee網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）硬件架構(gòu)如圖2所示，其主要功能是完成數(shù)據(jù)傳輸格式的轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)之間的通信連接,并與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行交互功能和對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理。本文采用廣州友善之臂計(jì)算機(jī)科技有限公司的Mini2440開發(fā)板和拓展ZigBee無線模塊作為ZigBee網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。Mini2440開發(fā)板以三星公司的32位高性能ARM微處理器S3C2440作為核心控制器，通過1個(gè)100 M以太網(wǎng)RJ-45口(采用DM9000網(wǎng)卡)實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)關(guān)與Internet的互聯(lián)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸[3]，ZigBee通信模塊選用TI公司生產(chǎn)的低成本、低功耗、高集成度的工業(yè)用ZigBee射頻芯片CC2430，內(nèi)置一個(gè)AES協(xié)處理器，以支持IEEE802.15.4 MAC 安全所需的（128 bit關(guān)鍵字）AES的運(yùn)行，以盡可能少地占用微控制器。

2.2 無線測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)
    無線測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)原理圖如圖3所示，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)以CC2430為核心，通過信號調(diào)理電路連接溫度、濕度、光照傳感器和相關(guān)執(zhí)行器。其中溫度傳感器選用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。濕度傳感器選用電容式濕度傳感器HS1101，其在電路中等效于一個(gè)電容器C，其電容隨所測空氣的濕度增大而增大，在相對濕度為0~100%RH的范圍內(nèi)，電容的容量由160 pF變化到200 pF， 其誤差不大于±2%RH，具有響應(yīng)時(shí)間快、可靠性高和長期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，不需要校準(zhǔn)的完全互換性[4]。光照強(qiáng)度傳感器選用LXD/GB5-A1E, 隨光照度變化線性輸出,內(nèi)置濾光鏡,與光譜響應(yīng)特性類似，低工作照度符合RoHS指令等[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)測控系統(tǒng)軟件由ZigBee網(wǎng)關(guān)軟件和無線傳感測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)軟件兩部分組成。這兩部分都需要向其ZigBee模塊移植ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack），尤其是與硬件底層密切相關(guān)的PHY層和MAC層的實(shí)現(xiàn)，它為上層通信應(yīng)用提供API接口函數(shù)。
3.1 ZigBee網(wǎng)關(guān)部分的軟件設(shè)計(jì)
    ZigBee網(wǎng)關(guān)向下管理無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn), 向上連接實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)數(shù)據(jù)中心交互功能, ZigBee網(wǎng)關(guān)初始化后首先格式化網(wǎng)絡(luò)并選擇信道，建立新的網(wǎng)絡(luò)，允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并分配網(wǎng)絡(luò)ID，廣播數(shù)據(jù)采集命令等[6]，程序流程圖如圖4所示。

3.2 無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    傳感器終端節(jié)點(diǎn)的主要工作是數(shù)據(jù)信息采集、網(wǎng)絡(luò)連接并承擔(dān)部分路由功能, 保持與臨近節(jié)點(diǎn)的通信, 檢測鏈路狀態(tài)等。為降低網(wǎng)絡(luò)的平均功耗終端節(jié)點(diǎn)模塊應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)既要盡量長時(shí)間地使各模塊處于休眠狀態(tài),盡量減少喚醒ZigBee模塊的次數(shù)[7]。無線傳測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試效果
    為了驗(yàn)證系統(tǒng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化性能，在實(shí)驗(yàn)過程中人為地對各相應(yīng)的傳感器進(jìn)行了遮擋、加熱、加濕等干擾，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看這些干擾都很及時(shí)地在上位機(jī)監(jiān)測界面中有所反映，監(jiān)測界面的右下角實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)變化值， 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測界面圖如圖6所示，顯示數(shù)據(jù)曲線呈跳躍式變化正好說明了系統(tǒng)響應(yīng)速度快，在很短時(shí)間內(nèi)可以采集環(huán)境參數(shù)的變化。

    本文探討了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室大棚環(huán)境測控中的應(yīng)用， 包括系統(tǒng)的總體架構(gòu)、ZigBee網(wǎng)關(guān)和傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，此無線測控系統(tǒng)效果良好，系統(tǒng)功耗小、移動(dòng)性強(qiáng)、被測數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示和記錄。
參考文獻(xiàn)
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[2] 郭奔勝，陳剛，鄧華寧.江蘇省以“工業(yè)思維”牽引農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[N].現(xiàn)代快報(bào).2011-04-15(23).
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[7] 韓華峰，杜克明，孫忠富，等.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(7)：158-163.