设施农业ZigBee技术运用

1ZigBee技术简介

ZigBee技术并不是完全独有和全新的标准。它的物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC)采用了IEEE802．15．4协议标准，但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用汇聚层和高层应用规范(API)由ZigBee联盟进行制定［1］。ZigBee以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成网络，网络拓扑包括星型网、树型网和网状网3种，如图2所示。应用的过程可以根据实际需求来选择网络拓扑［2］。每个ZigBee网络至少需要一个全功能设备(FFD，FullFunctionDevice)作为协调器(Coordinator)，来实现网络的建立和协调功能。为了降低成本，系统中的大部分节点为半功能设备(RFD，ReducedFunctionDevice)。ZigBee技术支持地理定位功能，无需注册，传输距离可以从标准的75m到扩展后的几百米，甚至几公里;利用ZigBee技术可由65000多个无线数据传输模块组成一个庞大的无线数据传输网络平台。每一个ZigBee网络数据传输模块类似移动网络的一个基站，能够直接进行数据的采集和监控，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信、中转其他模块传来的数据等。另外，整个ZigBee网络还可以与现有的其它各种网络实现有效的连接。

2ZigBee技术在设施农业的应用

ZigBee无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观察者，其应用极其广泛。当前，在农业监测和控制中，采用ZigBee无线测控网络技术，使传统农业模式转变为以信息网络为中心的设施农业模式，让农田的耕种实现自动化、网络化、智能化。

2．1葡萄种植方面的应用

在精准葡萄种植方面，葡萄酒商可以通过每棵葡萄树上的小型无线ZigBee传感器密切地监控自己的田地。在世界上最悠久的葡萄酒产区Douro(杜罗河，欧洲西南部)地区，种植葡萄树的地形严重制约着该地区的葡萄园布局，同时这里基于复杂片岩结构的土壤也制约着其水文评估。葡萄园的这种独有的地形、土壤、内部有限的水资源和温差大等特点要求最先进的技术工具，如分布式监测和信息处理等。因此，为了提高葡萄酒的产量和质量，葡萄牙的UTAD大学研发了一套用于监测葡萄种植的基于ZigBee的遥感网络系统［3］。在每个葡萄管理区都部署一个具有MPWiNodeZ装置(多动力无线节点ZigBee装置)的ZigBee网络(如图3所示)，用于监测土壤含水量、土壤温度、空气温度、相对湿度和太阳能辐射等参数。MPWiNodeZ装置是一个可以同时测量多达9个参数的自给自足的智能采集装置，它能够从周围的环境中获取能量，(如光子能量、灌溉管道中的水能和环境中的风能等等)。MPWiNodeZ装置的核心是一个无线微控制器(JN5121)，它由一个802．15．4射频收发器和ZigBee协议栈组成。JN5121无线微控制器以一个单片的32位RISC(ReducedInstructionSetComputing)为核心，是一个完全符合2．4GHz的IEEE802．15．4收发器，有64kB的ROM，96kB的RAM和各种设备。这种无线传感器网络将来也可作为一种开发模式去预测葡萄树白粉病的发展。

2．2大棚种植方面的应用

在大棚种植方面，以ZigBee技术构建的低成本、低功耗的温湿度无线传感器网络，能实时、准确地测量并显示大棚内各点的温度和湿度，使种植者能准确地了解农作物的生长环境，从而及时有效地采取措施，保证农作物快速与健康成长。浙江大学生物工程和科学学院开发的ZigBee监测系统(节点硬件结构如图4所示)采用星型拓扑结构［4］，它收集环境信息并传送到手持控制器(HHC)(ARM微控制器和ZigBee模块的集成)。在HHC中，数据存储并在液晶屏上显示;通过控制算法数据被处理过后，HHC将发送控制命令到执行器(PIC16F877和ZigBee模块的集成)，该执行器就完成了实际的控制任务。网络的所有无线节点都采用了基于JN5121芯片的ZigBee模块，它通过SPI或是并行外设接口连接上层控制器和传感器/执行器。此网络的软件系统分为两部分:初始化过程和信息处理过程。初始化过程中，一旦协调员(HHC)创建PAN(个人局域网络)，它将定时发送信标。在此过程中，协调器和传感器/执行器互相转换角色而工作，由于传感器/执行器的节点是根据需求而被激活的，所以有效地阻止了与其他传感器/执行器的非法连接，从而保证了协调器和传感器/执行器之间通信的安全性和可靠性。信息处理分为两个流程:协调器节点与传感器节点之间的信息处理;协调器节点与执行器节点之间的信息处理。在工程测试中证实了传感器/执行器节点的工作时间与休眠时间的比为1:99，因此耗电量低至30μA。目前，这套ZigBee监测系统已顺利地运行在中国浙江丽水农业科学院的现代温室中，并取得了很好的实际效益，充分证明了它的可及性和可靠性。而合肥工业大学开发的ZigBee无线温度监测系统，则根据测温点分散分布的特点，采用网状拓扑结构［5］。该系统由多个(最多可以有65535个)温度检测与发射模块(简称发射端)和1个收发与协调模块(简称接收端)组成。发射端安装在大棚内需要测量温度的位置，接受端安装在中央监控室内。基于系统高可靠性、低成本和低功耗方面考虑，这套系统选择DS1820，ATmega48和CC1100构成发射端，AT-mega48，CC1100和DS2401构成接收端。发射端由电池供电，为了提高电池的使用寿命，ATmega48采用定时采样中断工作方式。每次中断时，ATmega48把从DS1820读出的温度检测数据存储到CC1100(具有电磁波激活功能)的发送堆栈TXFIFO，等待CC1100进入发送模式下将数据发送出去;完成以上工作后，AT-mega48便进入睡眠状态;ATmega48再次工作时则由CC1100激活。监控室内的接收端按一定的顺序逐一请求各发射端发送温度数据。接收端向某一发射端发送请求发送数据命令后，等待数据包的到来。收到数据包后，接收端再请求下一个发射端发送数据，循环往复。发射端通过ZigBee无线网络与监控室的接收端之间以数据帧形式相互传递命令与数据。

2．3农田节水灌溉方面的应用

在农田节水灌溉方面，鉴于我国水资源严重缺乏、水旱灾害频繁和农业灌溉用水的利用率普遍低下，在农田灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，而且可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。兰州理工大学开发的自动节水灌溉系统利用土壤水分传感器、微处理器和ZigBee芯片等器件，以网状埋设在农田的各个地方，通过无线通信传播采集数据，然后控制灌溉系统的状态，从而实现农田灌溉的自化［6］。ZigBee自动节水灌溉系统(如图5所示)使用成对的ZigBee收发器来实现无线信号的传输。监测中心根据测试子站和测试基站发回的信息，通过总线向灌溉控制器发送控制信息，灌溉控制器根据发来的数据对电磁阀的开关进行控制，从而灌溉农田。AT-mega128和CC2420是测试基站与测试子站的核心。ATmega128是8位低功耗微处理器，具有片内128kB的程序存储器(Flash)，4kB的数据存储器(SRAM，可外扩到64kB)和4kB的EPROM。此外，它还有8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下工作。

2．4淡水养殖方面的应用

在淡水养殖生产中，随着网箱养殖与水池养殖模式的日益推广和普及，水中溶解氧浓度的检测与控制成为提高养殖密度和产量的关键。由于水中的溶解氧浓度受水体温度和季节变化影响，在淡水养殖中，水体加氧一般是根据经验，随意性较大，由于加氧不及时而造成养殖损失的现象时有发生。因此，浙江纺织服装学院根据实际需要，运用ZigBee技术设计了一个面向淡水养殖生产中水体温度和溶解氧浓度监控的无线网络监测与控制系统［7］。该监控系统使用基于ZigBee的无线传感器网络取代传统的有线传输系统，进行水体溶氧浓度和温度数据监测以及加氧控制。网络使用星型拓扑结构，由一个主节点和若干个从节点组成一个簇状的星型网络。在系统中，将主节点设置为FFD或NC，主要负责网络管理与数据收发;从节点设置为RFD，主要为监测和控制节点。系统控制器采用CC2430芯片，关键的水体溶氧浓度检测使用了溶氧浓度传感器，其实现是基于覆膜酸性电解质原电池原理。由于水体中溶氧浓度受水体温度和大气压的影响，因此在测量水体溶氧浓度时需要进行温度补偿，而大气压的影响可在空气中进行校正。在系统工作时，由溶氧浓度传感器和温度传感器(采用了AD590)组成传感器节点，传感器节点将监测到的溶氧浓度和温度数据通过A/D转换，处理成数字信号后，通过ZigBee网络传输到主节点，主节点中的控制器将传感器节点传送的数据与设定参数进行比较，若检测参数小于系统设定值，则输出控制指令，通过主节点发送至加氧控制无线节点，控制加氧电机对水体加氧，使水体的溶氧浓度稳定在设定范围，完成系统的监测与控制。在实际应用中，氧气传感器在使用中会消耗水体氧气，从而造成一定的检测误差。同时，水体对传感节点的腐蚀也不容忽视。因此，该系统还需要从溶氧浓度传感器的覆膜化学稳定性、仪器的防腐蚀性能以及电路的工作稳定性等方面加以研究。

3结语

目前，设施农业的技术体系还处于初级阶段，有待不断发展和完善，其潜力的发挥也需要研究时间和研究资源的投入。将ZigBee技术应用在设施农业中，充分利用了ZigBee无线传输的特点，克服了传统有线组网方式的局限性，不仅方便信息的管理，而且节省了人力资源，极大地提高了农业生产效率。因此，要大力发展ZigBee技术在我国设施农业模式中的应用，尽快开发ZigBee芯片的应用程序，为我国设施农业的发展提供基础保障。