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摘要： 首先介绍蔬菜温室智能测控系统的项目背景。其次，阐述基于ZigBee技术的无线传感器网络软硬件的设计与实现方法，主要设计无线传感器网络发送节点、接收节点的硬件和数据通信协议，并且给出上位机软件的核心算法。最后，阐述蔬菜温室智能测控系统设计与实现。实践证明，本项目所研究的关键技术能够实际应用在设施农业智能控制系统中，进而可以应用在其他领域，具有较强的推广价值。
关键词： 无线传感器网络；设施农业智能化；ZigBee
中图分类号：S24 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0920094－01
1 项目背景
面对现代高效农业发展的新形势，2009年2月5日江苏省第十一届人民代表大会的《江苏省人民政府工作报告》提出2009年全省“新增高效农业面积240万亩、高效渔业面积60万亩，其中设施农业面积80万亩。设施农业发展的特色在于信息获取与信息处理，计算机测控是产业关键技术之一。为响应省委、省政府政府发展高效农业的号召，淮安市农业技术推广中心与淮安信息职业技术学院合作，以智能化与控制技术、信息技术服务于现代高效农业，共同研究设施农业中蔬菜温室中智能测控系统的关键技术。主要包括将温室内的温度、湿度、二氧化碳、土壤等信息读取到计算机中，通过专家系统实现对温室设施的远程智能控制。由于农作物生长及畜禽生活环境复杂，采用有线网络传输数据成本较高，因此，在项目实施过程中将采用无线传感器网络，研究无线传感器网络相关技术的实际应用。
2 无线传感器网络软硬件设计与实现
2.1 数据发送节点硬件设计
传感器网络发送节点主要由传感单元（包括传感器和A/D转换模块）、电源、微处理器（包括CPU、存储器和嵌入式操作系统等）和通信单元（由无线通信射频模块组成）等组成，能完成数据采集、信号检测和传递信息的任务。本项目中采用了如图1所示的无线传感器节点结构。
图1无线传感器数据发送节点的结构
按照体积小、功耗低的设计原则，系统采用普通电池供电，电源管理芯片使用AD公司的ADP333823.3，选用SOT2223封装。选用的温湿度传感器SHT75是一种高精度的数字传感器，外部电路非常简单，使用两线数字输出，14bit A/D转换器，测量温度范围为-40～123.8℃，测量精度为±0.3℃，湿度范围为0～100%RH，精度为±1.8%RH。红外传感器采用PD632，它是一种数字热释电传感器，工作波长为7.5～14nm，在-20～60℃工作环境下探测距离可达6～15m。ZigBee模块采用UZ2400芯片为核心，可以提供硬件的MAC层和PHY层驱动，支持4线SPI方式与主控制器通信，实现无线局域网互连和数据传输。UZ2400在开放空间的传输距离可达110m，完全满足设计要求。
2.2 数据接收节点硬件设计
接收节点的产品工作频率为2.405-2.4835GHz，共16个信道可选，采用O-QPSK方式进行调制，同时采用直接序列扩频（DSSS）技术，具有很强的抗干扰能力。该节点采用全向微带平板天线，同时预留SMA外接天线接口，方便不同场合使用，接收灵敏度<-95dBm，模块无线发射功率-14dBm～+17dBm，并且可调节。提供射频收发、串口收发、电源和工作指示等6个LED指示灯，指示灯作用设计如表1所示。
表1LED指示灯作用
2.3 无线传感器网络通信协议设计
无线传感器的接收机通过串口和GPS定位设备通信，十六进制，采用TTL电平，波特率为9600。具体的协议定义如表2所示。
表2无线传感器接收机通信协议
3 蔬菜温室智能测控系统设计与实现
3.1 系统体系结构
图2蔬菜温室智能测控系统体系结构
本监测系统一共设计为3个网络：ZigBee无线传感器网络、Internet
网络和3G网络，如图2所示。所有传感器节点将采集到的状态信息传到协调器节点，协调器节点通过无线路由器，将数据实时传输到控制室上位机节点，该节点通过Internet网络将数据发送到远程服务器端。远程温室数据监测中心的服务器对接收的数据进行后台处理，并在Internet网上发布温室监测数据及设备运行情况。整个系统中ZigBee网络主要负责温室环境数据的采集，Internet网络主要负责数据的远距离传输及数据信息的实时显示，3G网络主要负责基地区内无线视频监控设备的图像信息传输。
3.2 功能模块设计
根据蔬菜温室智能测控系统体系结构图，在测控节点上将安装温室大棚无线智能测控软件，该软件功能如图3所示。
图3温室大棚无线智能测控系统功能层次图
其中，基础信息设置模块包括示范基地设置、农业设施设置、温室类型设置、温室信息设置等子模块；传感器管理模块包括测温点信息管理、测温点信息监控等子模块；控制系统管理包括控制信息管理、控制状态查询等子模块；智能测控模块包括无线数据采集与显示、农业设施自动控制管理等功能，查询统计模块包括温室数据历史记录查询与统计、农业设施状态历史记录查询与统计等功能；专家系统则调用第三方开发的专家系统及对应数据库，为温室自动控制提供数据依据。此外，在系统设置模块可以设置系统用户信息，并进行权限管理，在系统帮助模块则提供了软件的使用帮助信息。
4 项目总结
本项目通过对于无线传感器网络技术的研究与分析，给出了无线传感器网络的软硬件设计与实现方案，并实现了该方案在蔬菜温室智能测控系统中的应用。目前，蔬菜温室无线监控系统已经在淮安市柴米河农业示范基地、淮安市农科院花卉温室基地、淮安市丁集蔬菜温室基地、淮安市王元江苏省蔬菜科技综合展示基地得到应用。
参考文献：
[1]王敏，温室大棚温湿度、二氧化碳测控系统的研究，西安理工大学，2007年3月.
[2]匡盈春，简易型温室温湿度控制器设计，湖南农业大学学报，2009年8月.
[3]白春雨、张亚静、何根旺、时玲，我国几种温室环境控制系统的架构方案，现代农业装备，2005年4月.
[4]汪小旵、丁为民，温室环境控制技术探讨，农机化研究，2000年4月.
作者简介：
李刚（1979-），黑龙江省人，中共党员，东南大学硕士学位，讲师，现淮安信息职业技术学院计算机系教师，从事软件开发和无线网络研究，公开发表论文八篇，主持院级项目一项，市级项目一项。
关键词： 无线传感器网络；设施农业智能化；ZigBee
中图分类号：S24 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0920094－01
1 项目背景
面对现代高效农业发展的新形势，2009年2月5日江苏省第十一届人民代表大会的《江苏省人民政府工作报告》提出2009年全省“新增高效农业面积240万亩、高效渔业面积60万亩，其中设施农业面积80万亩。设施农业发展的特色在于信息获取与信息处理，计算机测控是产业关键技术之一。为响应省委、省政府政府发展高效农业的号召，淮安市农业技术推广中心与淮安信息职业技术学院合作，以智能化与控制技术、信息技术服务于现代高效农业，共同研究设施农业中蔬菜温室中智能测控系统的关键技术。主要包括将温室内的温度、湿度、二氧化碳、土壤等信息读取到计算机中，通过专家系统实现对温室设施的远程智能控制。由于农作物生长及畜禽生活环境复杂，采用有线网络传输数据成本较高，因此，在项目实施过程中将采用无线传感器网络，研究无线传感器网络相关技术的实际应用。
2 无线传感器网络软硬件设计与实现
2.1 数据发送节点硬件设计
传感器网络发送节点主要由传感单元（包括传感器和A/D转换模块）、电源、微处理器（包括CPU、存储器和嵌入式操作系统等）和通信单元（由无线通信射频模块组成）等组成，能完成数据采集、信号检测和传递信息的任务。本项目中采用了如图1所示的无线传感器节点结构。
图1无线传感器数据发送节点的结构
按照体积小、功耗低的设计原则，系统采用普通电池供电，电源管理芯片使用AD公司的ADP333823.3，选用SOT2223封装。选用的温湿度传感器SHT75是一种高精度的数字传感器，外部电路非常简单，使用两线数字输出，14bit A/D转换器，测量温度范围为-40～123.8℃，测量精度为±0.3℃，湿度范围为0～100%RH，精度为±1.8%RH。红外传感器采用PD632，它是一种数字热释电传感器，工作波长为7.5～14nm，在-20～60℃工作环境下探测距离可达6～15m。ZigBee模块采用UZ2400芯片为核心，可以提供硬件的MAC层和PHY层驱动，支持4线SPI方式与主控制器通信，实现无线局域网互连和数据传输。UZ2400在开放空间的传输距离可达110m，完全满足设计要求。
2.2 数据接收节点硬件设计
接收节点的产品工作频率为2.405-2.4835GHz，共16个信道可选，采用O-QPSK方式进行调制，同时采用直接序列扩频（DSSS）技术，具有很强的抗干扰能力。该节点采用全向微带平板天线，同时预留SMA外接天线接口，方便不同场合使用，接收灵敏度<-95dBm，模块无线发射功率-14dBm～+17dBm，并且可调节。提供射频收发、串口收发、电源和工作指示等6个LED指示灯，指示灯作用设计如表1所示。
表1LED指示灯作用
2.3 无线传感器网络通信协议设计
无线传感器的接收机通过串口和GPS定位设备通信，十六进制，采用TTL电平，波特率为9600。具体的协议定义如表2所示。
表2无线传感器接收机通信协议
3 蔬菜温室智能测控系统设计与实现
3.1 系统体系结构
图2蔬菜温室智能测控系统体系结构
本监测系统一共设计为3个网络：ZigBee无线传感器网络、Internet
网络和3G网络，如图2所示。所有传感器节点将采集到的状态信息传到协调器节点，协调器节点通过无线路由器，将数据实时传输到控制室上位机节点，该节点通过Internet网络将数据发送到远程服务器端。远程温室数据监测中心的服务器对接收的数据进行后台处理，并在Internet网上发布温室监测数据及设备运行情况。整个系统中ZigBee网络主要负责温室环境数据的采集，Internet网络主要负责数据的远距离传输及数据信息的实时显示，3G网络主要负责基地区内无线视频监控设备的图像信息传输。
3.2 功能模块设计
根据蔬菜温室智能测控系统体系结构图，在测控节点上将安装温室大棚无线智能测控软件，该软件功能如图3所示。
图3温室大棚无线智能测控系统功能层次图
其中，基础信息设置模块包括示范基地设置、农业设施设置、温室类型设置、温室信息设置等子模块；传感器管理模块包括测温点信息管理、测温点信息监控等子模块；控制系统管理包括控制信息管理、控制状态查询等子模块；智能测控模块包括无线数据采集与显示、农业设施自动控制管理等功能，查询统计模块包括温室数据历史记录查询与统计、农业设施状态历史记录查询与统计等功能；专家系统则调用第三方开发的专家系统及对应数据库，为温室自动控制提供数据依据。此外，在系统设置模块可以设置系统用户信息，并进行权限管理，在系统帮助模块则提供了软件的使用帮助信息。
4 项目总结
本项目通过对于无线传感器网络技术的研究与分析，给出了无线传感器网络的软硬件设计与实现方案，并实现了该方案在蔬菜温室智能测控系统中的应用。目前，蔬菜温室无线监控系统已经在淮安市柴米河农业示范基地、淮安市农科院花卉温室基地、淮安市丁集蔬菜温室基地、淮安市王元江苏省蔬菜科技综合展示基地得到应用。
参考文献：
[1]王敏，温室大棚温湿度、二氧化碳测控系统的研究，西安理工大学，2007年3月.
[2]匡盈春，简易型温室温湿度控制器设计，湖南农业大学学报，2009年8月.
[3]白春雨、张亚静、何根旺、时玲，我国几种温室环境控制系统的架构方案，现代农业装备，2005年4月.
[4]汪小旵、丁为民，温室环境控制技术探讨，农机化研究，2000年4月.
作者简介：
李刚（1979-），黑龙江省人，中共党员，东南大学硕士学位，讲师，现淮安信息职业技术学院计算机系教师，从事软件开发和无线网络研究，公开发表论文八篇，主持院级项目一项，市级项目一项。