設(shè)施農(nóng)業(yè)ZigBee技術(shù)運用

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1ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)并不是完全獨有和全新的標準。它的物理層(PHY)和媒體接入控制層(MAC)采用了IEEE802．15．4協(xié)議標準，但在此基礎(chǔ)上進行了完善和擴展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚層和高層應(yīng)用規(guī)范(API)由ZigBee聯(lián)盟進行制定［1］。ZigBee以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓撲包括星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)3種，如圖2所示。應(yīng)用的過程可以根據(jù)實際需求來選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲［2］。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少需要一個全功能設(shè)備(FFD，F(xiàn)ullFunctionDevice)作為協(xié)調(diào)器(Coordinator)，來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和協(xié)調(diào)功能。為了降低成本，系統(tǒng)中的大部分節(jié)點為半功能設(shè)備(RFD，ReducedFunctionDevice)。ZigBee技術(shù)支持地理定位功能，無需注冊，傳輸距離可以從標準的75m到擴展后的幾百米，甚至幾公里;利用ZigBee技術(shù)可由65000多個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成一個龐大的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺。每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，能夠直接進行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信、中轉(zhuǎn)其他模塊傳來的數(shù)據(jù)等。另外，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它各種網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)有效的連接。

2ZigBee技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用

zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者，其應(yīng)用極其廣泛。當前，在農(nóng)業(yè)監(jiān)測和控制中，采用ZigBee無線測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕畔⒕W(wǎng)絡(luò)為中心的設(shè)施農(nóng)業(yè)模式，讓農(nóng)田的耕種實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

2．1葡萄種植方面的應(yīng)用

在精準葡萄種植方面，葡萄酒商可以通過每棵葡萄樹上的小型無線ZigBee傳感器密切地監(jiān)控自己的田地。在世界上最悠久的葡萄酒產(chǎn)區(qū)Douro(杜羅河，歐洲西南部)地區(qū)，種植葡萄樹的地形嚴重制約著該地區(qū)的葡萄園布局，同時這里基于復(fù)雜片巖結(jié)構(gòu)的土壤也制約著其水文評估。葡萄園的這種獨有的地形、土壤、內(nèi)部有限的水資源和溫差大等特點要求最先進的技術(shù)工具，如分布式監(jiān)測和信息處理等。因此，為了提高葡萄酒的產(chǎn)量和質(zhì)量，葡萄牙的UTAD大學(xué)研發(fā)了一套用于監(jiān)測葡萄種植的基于ZigBee的遙感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［3］。在每個葡萄管理區(qū)都部署一個具有MPWiNodeZ裝置(多動力無線節(jié)點ZigBee裝置)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)(如圖3所示)，用于監(jiān)測土壤含水量、土壤溫度、空氣溫度、相對濕度和太陽能輻射等參數(shù)。MPWiNodeZ裝置是一個可以同時測量多達9個參數(shù)的自給自足的智能采集裝置，它能夠從周圍的環(huán)境中獲取能量，(如光子能量、灌溉管道中的水能和外圍環(huán)境中的風(fēng)能等等)。MPWiNodeZ裝置的核心是一個無線微控制器(JN5121)，它由一個802．15．4射頻收發(fā)器和ZigBee協(xié)議棧組成。JN5121無線微控制器以一個單片的32位RISC(ReducedInstructionSetComputing)為核心，是一個完全符合2．4GHz的IEEE802．15．4收發(fā)器，有64kB的ROM，96kB的RAM和各種外圍設(shè)備。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將來也可作為一種開發(fā)模式去預(yù)測葡萄樹白粉病的發(fā)展。

2．2大棚種植方面的應(yīng)用

在大棚種植方面，以ZigBee技術(shù)構(gòu)建的低成本、低功耗的溫濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能實時、準確地測量并顯示大棚內(nèi)各點的溫度和濕度，使種植者能準確地了解農(nóng)作物的生長環(huán)境，從而及時有效地采取措施，保證農(nóng)作物快速與健康成長。浙江大學(xué)生物工程和科學(xué)學(xué)院開發(fā)的ZigBee監(jiān)測系統(tǒng)(節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)［4］，它收集環(huán)境信息并傳送到手持控制器(HHC)(ARM微控制器和ZigBee模塊的集成)。在HHC中，數(shù)據(jù)存儲并在液晶屏上顯示;通過控制算法數(shù)據(jù)被處理過后，HHC將發(fā)送控制命令到執(zhí)行器(PIC16F877和ZigBee模塊的集成)，該執(zhí)行器就完成了實際的控制任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)的所有無線節(jié)點都采用了基于JN5121芯片的ZigBee模塊，它通過SPI或是并行外設(shè)接口連接上層控制器和傳感器/執(zhí)行器。此網(wǎng)絡(luò)的軟件系統(tǒng)分為兩部分:初始化過程和信息處理過程。初始化過程中，一旦協(xié)調(diào)員(HHC)創(chuàng)建PAN(個人局域網(wǎng)絡(luò))，它將定時發(fā)送信標。在此過程中，協(xié)調(diào)器和傳感器/執(zhí)行器互相轉(zhuǎn)換角色而工作，由于傳感器/執(zhí)行器的節(jié)點是根據(jù)需求而被激活的，所以有效地阻止了與其他傳感器/執(zhí)行器的非法連接，從而保證了協(xié)調(diào)器和傳感器/執(zhí)行器之間通信的安全性和可靠性。信息處理分為兩個流程:協(xié)調(diào)器節(jié)點與傳感器節(jié)點之間的信息處理;協(xié)調(diào)器節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點之間的信息處理。在工程測試中證實了傳感器/執(zhí)行器節(jié)點的工作時間與休眠時間的比為1:99，因此耗電量低至30μA。目前，這套ZigBee監(jiān)測系統(tǒng)已順利地運行在中國浙江麗水農(nóng)業(yè)科學(xué)院的現(xiàn)代溫室中，并取得了很好的實際效益，充分證明了它的可及性和可靠性。而合肥工業(yè)大學(xué)開發(fā)的ZigBee無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，則根據(jù)測溫點分散分布的特點，采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)［5］。該系統(tǒng)由多個(最多可以有65535個)溫度檢測與發(fā)射模塊(簡稱發(fā)射端)和1個收發(fā)與協(xié)調(diào)模塊(簡稱接收端)組成。發(fā)射端安裝在大棚內(nèi)需要測量溫度的位置，接受端安裝在中央監(jiān)控室內(nèi)。基于系統(tǒng)高可靠性、低成本和低功耗方面考慮，這套系統(tǒng)選擇DS1820，ATmega48和CC1100構(gòu)成發(fā)射端，AT-mega48，CC1100和DS2401構(gòu)成接收端。發(fā)射端由電池供電，為了提高電池的使用壽命，ATmega48采用定時采樣中斷工作方式。每次中斷時，ATmega48把從DS1820讀出的溫度檢測數(shù)據(jù)存儲到CC1100(具有電磁波激活功能)的發(fā)送堆棧TXFIFO，等待CC1100進入發(fā)送模式下將數(shù)據(jù)發(fā)送出去;完成以上工作后，AT-mega48便進入睡眠狀態(tài);ATmega48再次工作時則由CC1100激活。監(jiān)控室內(nèi)的接收端按一定的順序逐一請求各發(fā)射端發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。接收端向某一發(fā)射端發(fā)送請求發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，等待數(shù)據(jù)包的到來。收到數(shù)據(jù)包后，接收端再請求下一個發(fā)射端發(fā)送數(shù)據(jù)，循環(huán)往復(fù)。發(fā)射端通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控室的接收端之間以數(shù)據(jù)幀形式相互傳遞命令與數(shù)據(jù)。

2．3農(nóng)田節(jié)水灌溉方面的應(yīng)用

在農(nóng)田節(jié)水灌溉方面，鑒于我國水資源嚴重缺乏、水旱災(zāi)害頻繁和農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下，在農(nóng)田灌溉系統(tǒng)合理地推廣自動化控制，不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，而且可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。蘭州理工大學(xué)開發(fā)的自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)利用土壤水分傳感器、微處理器和ZigBee芯片等器件，以網(wǎng)狀埋設(shè)在農(nóng)田的各個地方，通過無線通信傳播采集數(shù)據(jù)，然后控制灌溉系統(tǒng)的狀態(tài)，從而實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的自化［6］。ZigBee自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)(如圖5所示)使用成對的ZigBee收發(fā)器來實現(xiàn)無線信號的傳輸。監(jiān)測中心根據(jù)測試子站和測試基站發(fā)回的信息，通過總線向灌溉控制器發(fā)送控制信息，灌溉控制器根據(jù)發(fā)來的數(shù)據(jù)對電磁閥的開關(guān)進行控制，從而灌溉農(nóng)田。AT-mega128和CC2420是測試基站與測試子站的核心。ATmega128是8位低功耗微處理器，具有片內(nèi)128kB的程序存儲器(Flash)，4kB的數(shù)據(jù)存儲器(SRAM，可外擴到64kB)和4kB的EPROM。此外，它還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作。

2．4淡水養(yǎng)殖方面的應(yīng)用

在淡水養(yǎng)殖生產(chǎn)中，隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖與水池養(yǎng)殖模式的日益推廣和普及，水中溶解氧濃度的檢測與控制成為提高養(yǎng)殖密度和產(chǎn)量的關(guān)鍵。由于水中的溶解氧濃度受水體溫度和季節(jié)變化影響，在淡水養(yǎng)殖中，水體加氧一般是根據(jù)經(jīng)驗，隨意性較大，由于加氧不及時而造成養(yǎng)殖損失的現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，浙江紡織服裝學(xué)院根據(jù)實際需要，運用ZigBee技術(shù)設(shè)計了一個面向淡水養(yǎng)殖生產(chǎn)中水體溫度和溶解氧濃度監(jiān)控的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與控制系統(tǒng)［7］。該監(jiān)控系統(tǒng)使用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的有線傳輸系統(tǒng)，進行水體溶氧濃度和溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測以及加氧控制。網(wǎng)絡(luò)使用星型拓撲結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點和若干個從節(jié)點組成一個簇狀的星型網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)中，將主節(jié)點設(shè)置為FFD或NC，主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理與數(shù)據(jù)收發(fā);從節(jié)點設(shè)置為RFD，主要為監(jiān)測和控制節(jié)點。系統(tǒng)控制器采用CC2430芯片，關(guān)鍵的水體溶氧濃度檢測使用了溶氧濃度傳感器，其實現(xiàn)是基于覆膜酸性電解質(zhì)原電池原理。由于水體中溶氧濃度受水體溫度和大氣壓的影響，因此在測量水體溶氧濃度時需要進行溫度補償，而大氣壓的影響可在空氣中進行校正。在系統(tǒng)工作時，由溶氧濃度傳感器和溫度傳感器(采用了AD590)組成傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點將監(jiān)測到的溶氧濃度和溫度數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換，處理成數(shù)字信號后，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鞴?jié)點，主節(jié)點中的控制器將傳感器節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)進行比較，若檢測參數(shù)小于系統(tǒng)設(shè)定值，則輸出控制指令，通過主節(jié)點發(fā)送至加氧控制無線節(jié)點，控制加氧電機對水體加氧，使水體的溶氧濃度穩(wěn)定在設(shè)定范圍，完成系統(tǒng)的監(jiān)測與控制。在實際應(yīng)用中，氧氣傳感器在使用中會消耗水體氧氣，從而造成一定的檢測誤差。同時，水體對傳感節(jié)點的腐蝕也不容忽視。因此，該系統(tǒng)還需要從溶氧濃度傳感器的覆膜化學(xué)穩(wěn)定性、儀器的防腐蝕性能以及電路的工作穩(wěn)定性等方面加以研究。

3結(jié)語

目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系還處于初級階段，有待不斷發(fā)展和完善，其潛力的發(fā)揮也需要研究時間和研究資源的投入。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，充分利用了ZigBee無線傳輸?shù)奶攸c，克服了傳統(tǒng)有線組網(wǎng)方式的局限性，不僅方便信息的管理，而且節(jié)省了人力資源，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。因此，要大力發(fā)展ZigBee技術(shù)在我國設(shè)施農(nóng)業(yè)模式中的應(yīng)用，盡快開發(fā)ZigBee芯片的應(yīng)用程序，為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。