ZigBee智能农场远程监控系统

0 引言

监控系统在智能农场的功能发挥中起到了至关重要的作用，但有线监控系统有着很大的局限性。加上农场内地形情况、环境因素十分复杂，一些土壤及环境参数，比如：土壤湿度、温度，空气湿度、温度，氮磷钾含量、光照度等，不能及时有效的进行监测，造成农作物不能及时的得到有效灌溉，同时也会造成水分或者肥料的浪费。因此，本文就应对智能农场监测的实际情况，综合运用ZigBee模块、计算机控制技术和GPRS 技术，提出一个远程监控技术。能够进行参数实时监测、作物灌溉控制、日常管理等功能。

1   GPRS 和ZigBee 通信技术的介绍

1.1 WLAN 技术

WLAN 即无线局域网，在局域网中数据依靠无线电磁波传输，但其传输距离较短一般只有几十米左右。

    虽然无线局域网仅适合近距离的传输，但其依然有很多弊端。第一，无线技术的设备设计和软件开发很复杂；第二，在网络中的传感器节点RF 模块花费很高；最后，此技术有很大的耗电量。因此，为了保护环境节能减排，系统一般都会使用太阳能电池，而无线局域网的能耗导致太阳能电池无法应用。

1.2蓝牙技术

蓝牙技术即Bluetooth，同样也是一种短距离的无线电传输技术，其传输距离与无线局域网差不多，在十米左右。无法进行很远距离的数据传输。可以再移动电话、平板电脑、笔记本等设备之间进行信息交换，蓝牙技术的出现使得手机、平板等移动终端能够进行很方便的信息传递。

    蓝牙技术的应用领域十分广泛，通常要在无线传感网中配置很多的传感器节点，以保证测量结果的准确性。

但蓝牙技术的网络终端设备需要有线，因此就会严重限制此技术在低速控制系统中的运用。除此之外，在布置网络时，还必须考虑到成本的问题，蓝牙技术的成本很高，而且井下监控网规模很大。其必将被其他技术取代。

1.3 ZigBee 技术

ZigBee 技术是一种新兴的低传输速率、短距离的无线传输技术，此技术具有其他无线传输技术没有的优点。首先也是最重要的是，ZigBee 技术的网络协议比较简单，而且其具有远远超越无线局域网和蓝牙技术的实用性。ZigBee 技术还具有很多和其他传输技术不同的特点：

1）传输速率低。

    2）能耗低，正常工作所需能量少：ZigBee数传节点承载的数据功率较低，而且在信息传递结束后，ZigBee 数传模块会自动进入睡眠状态，可以大幅度的减少能耗，其需要的能量大约只有正常工作的千分之一，非常符合农场工作的实际情况，一般来说，网络系统中大部分时间节点都是处在睡眠的状态，处于待命的状态。其ZigBee 无线模块正常运行的时间小于总时间的百分之一，所以，能够达到很好的节能减排效果。

    3）网络技术协议简单，进一步大大降低了成本。

1.4 GPRS 技术

通用分组无线服务技术简称为GPRS。其是移动电话用户使用的一项移动数据业务，此技术在数据传输方式上和其他网络传输方式不同，其数据的传输是将信息先封包然后在传输。GPRS 技术和目前比较流行的传输技术相比，其最大的优点就是能够实现“永远在线”，无需拨号连接，更加节约时间，只有在使用时才会存在数据传输而占用资源。下面简述GPRS 技术的优势。

    1）相比其他无线网络技术其资源利用率有很大程度的提高，此技术采用的是技术工作分组交换模式，只有用户在使用时才会占用系统资源，这就使得一个无线信道就可以让多个用户共同使用，大大提高了信道利用率。GPRS 的资费是依据，消耗多少流量，付多少钱。因此，使用GPRS 成本很低，持续连接很久，也许就需要几分钱的费用。

2）传输速率得到极大提高，GPRS 技术其输出速率能够达到115kpbs。这就意味着人们可以通过手机等设备浏览网页信息。

3）分组交换式接入网络，能够即时连接，网页的预览更加流畅快捷。

    4）支持X.25 协议和IP 协议，使其广泛的兼容各种设备，能够使其在世界范围内相互连接。

总而言之，由于农场的特殊情况，在对无线技术的选择上必须严格进行，要求性能可靠、稳定性强、维修简单、功率低、能耗小、成本低。表1 是对各种无线技术的性能比较。

表 1 无线技术的性能比较

2 远程监控系统设计

总方案在智能农场远程控制系统中，无线传感节点主要分为两类，就是移动式的ZigBee数据采集节点和固定式的ZigBee数据采集节点，其中固定节点一般布设安装在农场的各个控制点及通过定位和测量后确定的监控点，移动ZigBee数据采集节点一般根据需要，比如根据种植的作物不同增加或减少控制、监控点，根据值守人员的需要随身携带移动ZigBee数据采集设备等而设置。因此，为了保证网络的稳定性、可靠性，就必须根据农场的实际情况来制定ZigBee 无线模块安装的距离和大小，同时在比较特殊的地点也要安装，使农场的控制区域内可以被ZigBee 无线模块完全覆盖。

针对农场内ZigBee数据采集节点数目繁多，分布范围大等特点，必须要采用GPRS 技术和ZigBee无线模块传感器网络技术相结合的形式进行数据传输。依据节点的设计模式，将数据传输分为两部分。首先，是从节点传输到主节点的数据，就是利用ZigBee 数传模块把一个区域里的数据集中到一个中心点上；第二部分是将主节点的数据传递到监控中心，由于具有很远的距离，故采用GPRS 技术，将网络信息由串口通讯的手段传输到地面控制室，这样能够很好的实现数据远程传递，不但可以从很大程度上减少数据传输成本，而且方便快捷。下图1

图1 数据传输过程

整个数据是传输过程。整个控制系统分为三大部分无线通信系统、智能监控终端、地面监控中心。

    其中智能监控终端由控制器模块、报警器、ZigBee无线模块、未处理器模块组成，各个监控点用于环境监测，主要监测土壤湿度温度、空气湿度温度和光照度、氮磷钾浓度等。要完成信息的ZigBee数据采集和传出工作，还必须及时对控制中心发出的控制信息做出反应。其中通信系主要负责数据命令的传输，监控终端使用GPRS模块进入GPRS 网络，然后接入因特网。整个系统的核心是监控系统，其要完成对整个农场远程监控的控制，对收到的数据进行处理分析，并做出相关指令控制系统进行自动应对措施。以及对系统数据进行备份。

3 系统硬件设计

3.1 分控中心硬件设计

该农场远程监控系统通过ZigBee数据采集节点收集的农田参数信息，并发送数据到中心节点。可以通过多布置子节点的方法来解决，多采集点广泛分布的需要，解决传输距离的限制和布线困难等问题。继电器模块适合终端节点在一起的，使用了先进的上位单片机和GPRS 技术，实现了对农场内各种环境量的实时分析，能够及时处理存在的问题。通过ZigBee数据采集模块把采集到的数据信息处理分析，在将分析结果发送到ZigBee 主节点上，实现计算机串口与主节点的实时通讯，这样保证了数据的可靠性和实时性，给用户带来了很大的方便。

3.2 传感器网络节点设计

一般来说传统的传感器节点是由处理器、能量供应模块、ZigBee模块和ZigBee 传感器模块组成，其能够很准确的对环境各参数进行收集和初步处理，在遇到临界值或特殊情况时能够进行及时报警，能够接收由控制中心发出的数据请求命令，把所收集到的数据发送到监控中心。

    对于此系统的处理芯片和无线射频模块的设计方案中，重要采用的是CC2530 为核心的构造无线传感器网络节点，这样的设计不但可以满足系统的无线通信、人员定位和数据采集等功能，而且能耗低、电路简单、体积小，从很大程度上减少了构建成本。

3.3 GPRS 终端设计

从农场内的监控数据采集到数据传输，都是通过GPRS 数据传输终端盒ZigBee 无线传感器模块相连接而达到的。GPRS 还可以将终端内置处理器进行协议封装和处理，在将其发送到GPRS 网络，通过串行的方式进行和地面的监控通信，在监控中心接收数据信息后，经过分析处理，把有效的数据保存到中心数据库中。

4 系统软件的设计

数据的采集处理、无线收发相关程序和路由器的算法等是系统软件设计的主要部分，传感器网络主要包括3 个部分：

1）节点数据的采集和传递；

2）主节点数据收集；

3）将主节点的数据发送到数据中心。

一般情况下我们采用c 语言进行开发。通常来说数据中心会采用轮询的方式，对系统所有从节点的监控状态数据采集和保存，即时显示在操作平台上，在用户不需要时可以随时退出程序，终止操作。要想开始监控只需要重新启动就行了。

5 结论

综上所述，对于农场的远程监控系统设计要结合ZigBee 和GPRS 两种技术，从灵活组网和低成本的角度出发，实现农场内土壤、环境参数的实时ZigBee数据采集监控和预警。

    此系统具有非常显著的优点，能够为现代智能农场和旅游观光型农场的日常管理带来新的发展模式。

   

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