設施農業ZigBee技術運用
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1ZigBee技術簡介
ZigBee技術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協議標準，但在此基礎上進行了完善和擴展。其網絡層、應用匯聚層和高層應用規范(API)由ZigBee聯盟進行制定［1］。ZigBee以一個個獨立的工作節點為依托，通過無線通信組成網絡，網絡拓撲包括星型網、樹型網和網狀網3種，如圖2所示。應用的過程可以根據實際需求來選擇網絡拓撲［2］。每個ZigBee網絡至少需要一個全功能設備(FFD，FullFunctionDevice)作為協調器(Coordinator)，來實現網絡的建立和協調功能。為了降低成本，系統中的大部分節點為半功能設備(RFD，ReducedFunctionDevice)。ZigBee技術支持地理定位功能，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技術可由65000多個無線數據傳輸模塊組成一個龐大的無線數據傳輸網絡平臺。每一個ZigBee網絡數據傳輸模塊類似移動網絡的一個基站，能夠直接進行數據的采集和監控，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信、中轉其他模塊傳來的數據等。另外，整個ZigBee網絡還可以與現有的其它各種網絡實現有效的連接。
zigbee無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網絡系統，其目的是感知、采集和處理網絡覆蓋區域里被監測對象的信息，并發送給觀察者，其應用極其廣泛。當前，在農業監測和控制中，采用ZigBee無線測控網絡技術，使傳統農業模式轉變為以信息網絡為中心的設施農業模式，讓農田的耕種實現自動化、網絡化、智能化。
2．1葡萄種植方面的應用
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傳感器密切地監控自己的田地。在世界上最悠久的葡萄酒產區Douro(杜羅河，歐洲西南部)地區，種植葡萄樹的地形嚴重制約著該地區的葡萄園布局，同時這里基于復雜片巖結構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、內部有限的水資源和溫差大等特點要求最先進的技術工具，如分布式監測和信息處理等。因此，為了提高葡萄酒的產量和質量，葡萄牙的UTAD大學研發了一套用于監測葡萄種植的基于ZigBee的遙感網絡系統［3］。在每個葡萄管理區都部署一個具有MPWiNodeZ裝置(多動力無線節點ZigBee裝置)的ZigBee網絡(如圖3所示)，用于監測土壤含水量、土壤溫度、空氣溫度、相對濕度和太陽能輻射等參數。MPWiNodeZ裝置是一個可以同時測量多達9個參數的自給自足的智能采集裝置，它能夠從周圍的環境中獲取能量，(如光子能量、灌溉管道中的水能和外圍環境中的風能等等)。MPWiNodeZ裝置的核心是一個無線微控制器(JN5121)，它由一個802．15．4射頻收發器和ZigBee協議棧組成。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收發器，有64kB的ROM，96kB的RAM和各種外圍設備。這種無線傳感器網絡將來也可作為一種開發模式去預測葡萄樹白粉病的發展。
2．2大棚種植方面的應用
在大棚種植方面，以ZigBee技術構建的低成本、低功耗的溫濕度無線傳感器網絡，能實時、準確地測量并顯示大棚內各點的溫度和濕度，使種植者能準確地了解農作物的生長環境，從而及時有效地采取措施，保證農作物快速與健康成長。浙江大學生物工程和科學學院開發的ZigBee監測系統(節點硬件結構如圖4所示)采用星型拓撲結構［4］，它收集環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，數據存儲并在液晶屏上顯示;通過控制算法數據被處理過后，HHC將發送控制命令到執行器(PIC16F877和ZigBee模塊的集成)，該執行器就完成了實際的控制任務。網絡的所有無線節點都采用了基于JN5121芯片的ZigBee模塊，它通過SPI或是并行外設接口連接上層控制器和傳感器/執行器。此網絡的軟件系統分為兩部分:初始化過程和信息處理過程。初始化過程中，一旦協調員(HHC)創建PAN(個人局域網絡)，它將定時發送信標。在此過程中，協調器和傳感器/執行器互相轉換角色而工作，由于傳感器/執行器的節點是根據需求而被激活的，所以有效地阻止了與其他傳感器/執行器的非法連接，從而保證了協調器和傳感器/執行器之間通信的安全性和可靠性。信息處理分為兩個流程:協調器節點與傳感器節點之間的信息處理;協調器節點與執行器節點之間的信息處理。在工程測試中證實了傳感器/執行器節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監測系統已順利地運行在中國浙江麗水農業科學院的現代溫室中，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。而合肥工業大學開發的ZigBee無線溫度監測系統，則根據測溫點分散分布的特點，采用網狀拓撲結構［5］。該系統由多個(最多可以有65535個)溫度檢測與發射模塊(簡稱發射端)和1個收發與協調模塊(簡稱接收端)組成。發射端安裝在大棚內需要測量溫度的位置，接受端安裝在中央監控室內。基于系統高可靠性、低成本和低功耗方面考慮，這套系統選擇DS1820，ATmega48和CC1100構成發射端，AT-mega48，CC1100和DS2401構成接收端。發射端由電池供電，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讀出的溫度檢測數據存儲到CC1100(具有電磁波激活功能)的發送堆棧TXFIFO，等待CC1100進入發送模式下將數據發送出去;完成以上工作后，AT-mega48便進入睡眠狀態;ATmega48再次工作時則由CC1100激活。監控室內的接收端按一定的順序逐一請求各發射端發送溫度數據。接收端向某一發射端發送請求發送數據命令后，等待數據包的到來。收到數據包后，接收端再請求下一個發射端發送數據，循環往復。發射端通過ZigBee無線網絡與監控室的接收端之間以數據幀形式相互傳遞命令與數據。
2．3農田節水灌溉方面的應用
在農田節水灌溉方面，鑒于我國水資源嚴重缺乏、水旱災害頻繁和農業灌溉用水的利用率普遍低下，在農田灌溉系統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，而且可以增加農作物的產量，降低農產品的成本。蘭州理工大學開發的自動節水灌溉系統利用土壤水分傳感器、微處理器和ZigBee芯片等器件，以網狀埋設在農田的各個地方，通過無線通信傳播采集數據，然后控制灌溉系統的狀態，從而實現農田灌溉的自化［6］。ZigBee自動節水灌溉系統(如圖5所示)使用成對的ZigBee收發器來實現無線信號的傳輸。監測中心根據測試子站和測試基站發回的信息，通過總線向灌溉控制器發送控制信息，灌溉控制器根據發來的數據對電磁閥的開關進行控制，從而灌溉農田。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128kB的程序存儲器(Flash)，4kB的數據存儲器(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/計數器，并可在多種不同的模式下工作。
2．4淡水養殖方面的應用
在淡水養殖生產中，隨著網箱養殖與水池養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殖密度和產量的關鍵。由于水中的溶解氧濃度受水體溫度和季節變化影響，在淡水養殖中，水體加氧一般是根據經驗，隨意性較大，由于加氧不及時而造成養殖損失的現象時有發生。因此，浙江紡織服裝學院根據實際需要，運用ZigBee技術設計了一個面向淡水養殖生產中水體溫度和溶解氧濃度監控的無線網絡監測與控制系統［7］。該監控系統使用基于ZigBee的無線傳感器網絡取代傳統的有線傳輸系統，進行水體溶氧濃度和溫度數據監測以及加氧控制。網絡使用星型拓撲結構，由一個主節點和若干個從節點組成一個簇狀的星型網絡。在系統中，將主節點設置為FFD或NC，主要負責網絡管理與數據收發;從節點設置為RFD，主要為監測和控制節點。系統控制器采用CC2430芯片，關鍵的水體溶氧濃度檢測使用了溶氧濃度傳感器，其實現是基于覆膜酸性電解質原電池原理。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)組成傳感器節點，傳感器節點將監測到的溶氧濃度和溫度數據通過A/D轉換，處理成數字信號后，通過ZigBee網絡傳輸到主節點，主節點中的控制器將傳感器節點傳送的數據與設定參數進行比較，若檢測參數小于系統設定值，則輸出控制指令，通過主節點發送至加氧控制無線節點，控制加氧電機對水體加氧，使水體的溶氧濃度穩定在設定范圍，完成系統的監測與控制。在實際應用中，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，水體對傳感節點的腐蝕也不容忽視。因此，該系統還需要從溶氧濃度傳感器的覆膜化學穩定性、儀器的防腐蝕性能以及電路的工作穩定性等方面加以研究。
3結語
目前，設施農業的技術體系還處于初級階段，有待不斷發展和完善，其潛力的發揮也需要研究時間和研究資源的投入。將ZigBee技術應用在設施農業中，充分利用了ZigBee無線傳輸的特點，克服了傳統有線組網方式的局限性，不僅方便信息的管理，而且節省了人力資源，極大地提高了農業生產效率。因此，要大力發展ZigBee技術在我國設施農業模式中的應用，盡快開發ZigBee芯片的應用程序，為我國設施農業的發展提供基礎保障。
