我國是設施農業大國，近年來各地設施農業發展迅速，僅遼寧省今年設施農業將達到1 000萬畝[1]。江蘇省以“工業思維”來轉變農業發展方式和產業結構調整，提出要“用現代物質條件、現代科學技術、現代經營方式武裝和改造農業”[2]。我國雖然是設施農業的大國，但并非是設施農業的強國，設施農業的自動化和網絡化水平還不高。但我國設施農業正呈現出規模化與集團化的發展趨勢，集生產、加工、生態旅游、服務等多種功能于一體的現代農莊已初現端倪。

    本文針對溫室大棚環境參數的檢測與控制，充分利用無線傳感網絡一次性構建成本低、網絡自動組建、易維護且擴展性好等優點，設計了基于ZigBee的多參數、低成本、集測量與控制于一體的無線測控系統,用于實現遠程測控。系統采用ZigBee無線收發模塊采集溫室大棚中的溫度、濕度、光照等參數，并將其發送到ZigBee網關進行處理后通過Internet上傳到上位機，上位機通過網關發送溫度、濕度、光照等控制命令到ZigBee終端節點，控制相應設備以調節大棚中相關環境參數，從而實現對溫室大棚的遠程測量與控制。
1 系統總體架構
    無線傳感網絡的溫室大棚環境測控系統如圖1所示，由無線傳感器測控網絡終端節點、ZigBee網關（協調器）和上位機數據中心三部分組成，其中無線傳感器測控網絡中每個終端節點由一個ZigBee通信模塊和一個特定功能傳感器組成，測控大棚中的溫度、濕度、光照等環境參數，且每個ZigBee終端節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內與多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連接。

2 系統硬件設計
    整個系統硬件設計主要包括ZigBee網關(協調器)和無線測控網絡終端設備兩部分。
2.1 ZigBee網關硬件架構
    ZigBee網關（協調器）硬件架構如圖2所示，其主要功能是完成數據傳輸格式的轉換與數據遠程傳輸，實現ZigBee網絡與Internet網絡之間的通信連接,并與遠程服務器進行交互功能和對ZigBee網絡的管理。本文采用廣州友善之臂計算機科技有限公司的Mini2440開發板和拓展ZigBee無線模塊作為ZigBee網關系統。Mini2440開發板以三星公司的32位高性能ARM微處理器S3C2440作為核心控制器，通過1個100 M以太網RJ-45口(采用DM9000網卡)實現ZigBee網關與Internet的互聯和數據遠程傳輸[3]，ZigBee通信模塊選用TI公司生產的低成本、低功耗、高集成度的工業用ZigBee射頻芯片CC2430，內置一個AES協處理器，以支持IEEE802.15.4 MAC 安全所需的（128 bit關鍵字）AES的運行，以盡可能少地占用微控制器。

2.2 無線測控網絡終端節點
    無線測控網絡終端節點原理圖如圖3所示，每個終端節點以CC2430為核心，通過信號調理電路連接溫度、濕度、光照傳感器和相關執行器。其中溫度傳感器選用DALLAS公司生產的單總線式數字溫度傳感器DS18B20。濕度傳感器選用電容式濕度傳感器HS1101，其在電路中等效于一個電容器C，其電容隨所測空氣的濕度增大而增大，在相對濕度為0~100%RH的范圍內，電容的容量由160 pF變化到200 pF， 其誤差不大于±2%RH，具有響應時間快、可靠性高和長期穩定性好等特點，不需要校準的完全互換性[4]。光照強度傳感器選用LXD/GB5-A1E, 隨光照度變化線性輸出,內置濾光鏡,與光譜響應特性類似，低工作照度符合RoHS指令等[5]。

3 系統軟件設計
    整個測控系統軟件由ZigBee網關軟件和無線傳感測控網絡終端節點軟件兩部分組成。這兩部分都需要向其ZigBee模塊移植ZigBee協議棧（Z-Stack），尤其是與硬件底層密切相關的PHY層和MAC層的實現，它為上層通信應用提供API接口函數。
3.1 ZigBee網關部分的軟件設計
    ZigBee網關向下管理無線傳感器測控網絡各個終端節點, 向上連接實現和上位機數據中心交互功能, ZigBee網關初始化后首先格式化網絡并選擇信道，建立新的網絡，允許其他節點加入網絡并分配網絡ID，廣播數據采集命令等[6]，程序流程圖如圖4所示。

3.2 無線傳感器測控網絡終端節點軟件設計
    傳感器終端節點的主要工作是數據信息采集、網絡連接并承擔部分路由功能, 保持與臨近節點的通信, 檢測鏈路狀態等。為降低網絡的平均功耗終端節點模塊應用軟件的設計既要盡量長時間地使各模塊處于休眠狀態,盡量減少喚醒ZigBee模塊的次數[7]。無線傳測控網絡終端節點的程序流程圖如圖5所示。

4 系統調試效果
    為了驗證系統參數的動態變化性能，在實驗過程中人為地對各相應的傳感器進行了遮擋、加熱、加濕等干擾，從實驗結果上看這些干擾都很及時地在上位機監測界面中有所反映，監測界面的右下角實時顯示當前數據變化值， 實驗監測界面圖如圖6所示，顯示數據曲線呈跳躍式變化正好說明了系統響應速度快，在很短時間內可以采集環境參數的變化。

    本文探討了ZigBee無線傳感器網絡在溫室大棚環境測控中的應用， 包括系統的總體架構、ZigBee網關和傳感網絡終端節點的軟硬件設計。從實驗結果來看，此無線測控系統效果良好，系統功耗小、移動性強、被測數據可以實時上傳到上位機進行顯示和記錄。
參考文獻
[1] 遼寧省設施農業獎達1000萬畝[EB/OL].[2011-07-28].  http://www.csh.gov.cn/xxlr1_354414.html.
[2] 郭奔勝，陳剛，鄧華寧.江蘇省以“工業思維”牽引農業現代化[N].現代快報.2011-04-15(23).
[3] Mini2440現配備128 M/256 M/1 GB Nand Flash可選容量[EB/OL].[2011-07-28].http://www.arm9.net/mini2440-feature asp.
[4] 電容式濕度傳感器HS1101介紹及應用電路[EB/OL]. [2011-07-28]. http://www.61mcu.com/bbs/dispbbs.asp?BoardID=12&reply ID=295&ID=108&skin=1.
[5] 光敏傳感器：LXD/GB5-AIE[EB/OL].[2011-07-28].http://www.lxdcn.com/lxd-gb5-a1e(1).htm.
[6] 鄧小蕾，鄭立華，車艷雙,等.基于ZigBee和PDA的農田信息無線傳感器網絡[J].農業工程學報，2010，26（2）：103-108.
[7] 韓華峰，杜克明，孫忠富，等.基于ZigBee網絡的溫室環境遠程監控系統設計與應用[J].農業工程學報，2009，25(7)：158-163.