基于ZigBee的无线传感网络农业监测系统

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摘 要： 无线传感网络（WSN）是近几年兴起的一项短距离无线通信技术，其基本特征是低功耗、自组织、动态拓扑、设备低廉。由部署在监测区域内部或附近的大量廉价的、具有通信、感测及计算能力的微型传感器节点通过自组织构成“智能”测控网络。响应“精准农业”号召，结合农田实际需要，建立一套监测农田环境的远程监控系统，并实现自动浇灌控制。以温湿度传感器为例，传感器网络搜集的数据信息汇聚到ARM网关，然后通过以太网、Wi-Fi、3G等方式，将数据传送给远端的监控中心；监控中心对数据提取分析，如果显示湿度过低，则返回控制命令，开启相应传感器节点连接的电磁阀，实现自动浇水。

关键词： 无线传感网络；ZigBee；精准农业；远程监控

“精准农业”，是指将高新技术和农业需求相结合，实施一套现代化农业监控与管理系统。先进传感技术和智能信息处理是保证正确定量获取农业信息的重要手段。随着微电子技术、信号处理、无线通信技术等的发展，传统的传感器获取方式正从单一化模式向集成化、微型化进而智能化、网络化发展，成为农业应用过程中信息获取的最重要和最基本的技术之一。

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）正是在以上趋势下产生的新技术。结合微电子技术、嵌入式技术、无线网络等现代通信技术，能够实时地监测、感知和采集网络覆盖区域的环境参数信息，数据以自组织多跳的无线方式发送到汇聚中心，然后再由汇聚节点发送到远端的监控中心。监控中心能对接收到的数据进行处理，并返回相应的控制命令。无线传感网络低功耗、自组织、动态拓扑、设备低廉等特点，使其特别适用于大规模的监测场景。其在敌方军事战场、自然环境监测、医疗监护、工业生产控制、智能楼宇和消费电子等领域也都有广泛的应用[1]。如图1所示。

无线传感器网络为农业各领域的信息采集与处理提供了新的思路和有力手段，弥补以往传统数据监控的缺点，已经成为农业科技工作者的研究热点，其能够实时提供用户/农民地面信息（空气温湿度，风速风向、光照参数、CO2浓度）、土壤信息（土壤温湿度、张力、墒情）、营养信息（pH、EC值、离子浓度）、有害物监测与报警（动物疾病和植物病虫害）、生长信息（植物生理生态信息、动物健康监测）等，这些信息为用户调整相关策略，帮助农民及时发现问题，并准确地确定发生问题的位置，这样农业有可能渐渐的从以人为中心，依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、网络化生产设备，真正实现无处不在的数字农业，具有广阔的应用前景。

1 系统总体结构介绍

在本文中，采用Jennic公司的JN5139开发套件组建无线传感网络，采用华天正科技推出的REAL ARM6410开发板作为网关设备，任一台可联网的PC机作为监控中心的服务器。协调器节点和网关直接串口相连，网关将串口接收到的传感器数据，通过socket，走以太网或者Wi-Fi等无线方式，发送到远端的服务器。总体结构图参见图2：

系统主要由以下三部分构成：

1）ZigBee无线传感网络。主要由ZigBee协调器节点、路由节点和传感器节点构成。协调器节点是该网络的控制中心，负责创建维护网络，是无线传感网络和外界网络通信的出入口。传感器节点负责采集环境参数信息，并能通过路由节点，以多跳的方式将信息传送到协调器节点。综上叙述，ZigBee无线传感器测量网络主要负责数据的采集，并将数据通过ZigBee网络上传到ZigBee协调器节点，再由ZigBee协调器节点将数据通过无线或有线TCP/IP方式发送给远程监控中心。

2）网关接入Internet广域网。Internet网络可以通过有线或者无线接入方式，比如以太网、Wi-Fi、GPRS、TD等等。

3）远程监测中心。通过计算机网络技术、数据库技术和软件技术实现远程监控功能。在系统运行的过程中，监控中心可以对ZigBee监控节点的运行参数进行设定，同时实现对采集数据进行存储和SQL趋势图和报表查询，便于监测区域的数据信息进行观察和分析[2]。

2 系统各功能模块介绍

2.1 传感器节点组网流程

本文中的无线传感网络是采用的ZigBee技术，它是一种高可靠的无线网络，类似于CDMA和GSM网络，ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无线扩展。它的特点是：低功耗、低数据量、低成本，使用免费频段2.4G，高抗干扰，高保密性，自动动态组网。

Jennic JN5139开发套件中，每个传感器板都烧制有相应的程序，其在网络中的角色就由烧制的程序而定。

ZigBee网络最初是由协调器建立。协调器首先扫描信道，选择一个空闲信道，并同时规定网络参数。其他普通节点加入网络时，只要将信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络。一个节点加入网络后，就可以从协调器节点得到自己的短地址、ZigBee网络地址以及协调器规定的拓扑参数。同理，一个节点如果要离开网络，只需向其协调器提出请求。任一个节点成功接收一个子节点，或者其子节点成功脱离网络，都必须向协调器汇报。因此，协调器节点可以即时掌握网络的所有节点信息，维护网络信息库。图3是传感器节点加入和离开网络的握手示意图。

2.2 网关开发介绍

本系统是将协调器节点和ARM设备结合在一起，作为无线传感网络和外部互联网的桥接网关。网关采用REAL6410 ARM开发板，板上集成有串口、以太网、Wi-Fi、GPRS等接口。本文中已实现通过以太网口和Wi-Fi来连接互联网。

ARM板和协调器节点是直接串口相连，ARM板通过串口读取协调器节点搜集的传感网络信息，然后通过socket和远端服务器建立连接，将数据发送过去。Socket是支持TC/IP协议的基本操作单元。Socket有两种不同的类型：流套接字（TCP）和数据报套接字（UDP）。对于TCP套接字，套接字之间建立连接的过程分为：服务器监听，客户端请求，连接确认。监听时，服务器处于等待客户端连接的状态；客户端请求时，客户端主动提出连接请求，以IP和端口号连接服务器端的套接字；连接确认时，服务器收到客户端的请求并响应，建立独立的连接线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，连接就建立了。这样服务器和客户端就可以双向通信了。本文采用TCP的连接方式，ARM网关和远端服务器的通信流程如图4。

2.3 服务器程序开发

本文中，已实现ARM网关通过以太网和Wi-Fi两种方式来访问远端服务器。服务器可位于任何位置，只需要知道服务器的ip地址，网关就能通过搜寻ip和服务器建立连接，两者实现通信。

服务器端程序开启后，会在特定的端口监听，当监听到网关请求连接之后，服务器同意，然后两者建立连接，网关把自己搜集到的数据信息转发给服务器，在监控平台上显示信息[3]。图5是一个简单的服务器监控界面。

以湿度信息为例，当某个传感器节点提取出来的值小于最初设定的阈值时，监控中心就会通过网络向网关发送一个浇水控制命令，网关将该信息转发给协调器节点，协调器节点根据命令中的短地址信息，定位到相应传感器节点，传感器节点收到命令后就会控制其上的电磁阀打开，从而实现自动浇水。当湿度值恢复正常后，自动停止浇水。

3 结语

本文结合当今农业发展的需要，借助无线传感网络，搭建了一套农业墒情监测系统。由于农田需要监测的区域很大，传统的信息获取都是通过人工记录分析，效率很低。现在有了无线传感网络，可以直接在传感节点上布置土壤湿度、氮元素浓度、pH值等传感器，通过无线的方式，将这些信息发送到监控中心。监控中心借助其软件平台，对数据进行分析，并返回相应的控制命令，以实现自动化监控。科技和农业需求的结合，大大提高了农田的管理效率，部署方便，成本低廉，是农业信息测控的一个重要发展趋势。

参考文献：

[1]何成平、龚益民、林伟，基于无线传感网络的设施农业智能监控系统，安徽农业科学，2010，38（8）.

[2]杨婷、汪小旵，基于zigbee无线传感网络的自动滴灌系统设计，节水灌溉，Water Saving Irrigation，2010，02.

[3]李武建、张辉，基于ZigBee技术的测温无线传感网络平台设计，中国仪器仪表，2009，6.