摘要 基于ZigBee的环境监测系统，能解决农业生产环境的监控成本高和监控设备不利于布线等问题，系统通过无线传感器网络将收集到的数据进行分析处理、远程监控和环境报警，以实现对农业的精准控制，节约成本，提高生产效率。
关键词 ZigBee；农业环境监控；监测系统
中图分类号 S126 文献标识码 B 文章编号 1007-5739（2013）24-0337-01
随着我国现代农业的发展，对农业环境控制的要求也越来越高。传统的环境监测系统存在着布线困难、线路易老化、成本高、可靠性差、传感器移动不便等弊端，用信息技术来提升改造传统农业，推动粗放型农业向知识型、技术型的现代农业转变是目前研究的重点之一。
基于ZigBee的农业环境监测系统是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统。通过在农业生产区安装传感器等监控设备，对生产地区的生态环境进行检测，从而及时掌握影响生产的环境参数，以提高产量、保证质量。在温室智能监测系统中，通过各种传感器实时采集大棚内湿度、温度、光照、土壤水分等作物生长数据，在专家决策系统的支持下进行智能化决策，自动控制生产设备；在水产养殖中，使用传感器对水产养殖环境关键因子（温度、氨氮、pH值、盐度、溶解氧等）进行监测，通过信息监控系统和增氧机、抽水泵、取样电磁阀等终端控制系统，结合预警预报系统，实现了水产养殖的智能化控制和管理；在自动灌溉系统中，使用湿度传感器对土壤中的水分进行检测，当湿度达到某个设定值，系统就会自动与接收器进行通信，自动打开或关闭阀门，以实现节水和自动灌溉；在畜禽养殖方面，运用各种传感器采集畜禽养殖环境以及动物的行为特征和健康状况等信息，并通过Zigbee无线网络技术实现监测数据的传输以及对各个节点的管理。
1 ZigBee技术
ZigBee是一组基于IEEE802.15.4的技术标准，它主要应用的领域是对传输速率要求不高，但对功耗要求很高的场合。其主要特点有：①低成本。ZigBee模块成本只有几美元，而且ZigBee协议不收专利费，也是其成本降低的一个重要因素；②低功耗。在休眠的低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持一个子节点工作半年以上时间，这是ZigBee的突出优势；③距离短。ZigBee 节点间通信距离从几米到几十米不等，最长一般不超过100 m，但是如果通过增大发射功率、路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远；④延时短。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠模式转入工作态只需15 ms，节点连接加入网络只需30 ms；⑤高可靠。ZigBee支持AES-128加密算法，并可对数据包的完整性进行校验，还提供了访问控制服务、无安全措施、安全模式等3级安全模式，安全性能得到了极大的提高；⑥高容量。1个主节点可管理254个子节点，整个网络最多可以包含超过65 000个ZigBee网络节点[1]。
2 系统构架
监测系统通过终端节点上部署的各种传感器，采集环境参数，数据经处理和格式转换后，由ZigBee终端节点发送到ZigBee路由节点上。数据传输模块接收ZigBee路由节点传输过来的数据，并将数据发送至监控中心，进而由监控中心对数据进行查询、分析、处理，并根据设定条件对设备进行自动控制[2]。ZigBee支持树型、星型和网型等网络拓扑结构，用户可根据实际农业环境选择合适的拓扑结构。
2.1 数据采集模块
数据采集模块主要是完成对环境参数的的收集和简单处理，一般采用干电池供电，主要包括各种传感器、ZigBee终端节点和ZigBee路由器等。一方面，通过传感器模块采集温度、湿度、CO2含量等环境参数；另一方面，为了提高数据的准确性，可以采取一定的过滤算法对采集到的数据进行过滤和处理，处理后的数据通过ZigBee终端节点传输到ZigBee路由节点[3]。
2.2 数据传输模块
农业生产区通常范围较大，跟监控中心的距离也可能会超出ZigBee的有效通信距离。数据传输模块一方面接收各路由节点传送的数据，并将数据传输至监控中心，缩短了监控中心和数据采集模块的空间距离。有线数据传输方式同样因为布线繁杂而较少使用，常用的无线传输方式有WIFI和GPRS网络，GPRS网络使用广泛，缺点是传输速度较慢；WIFI传输速度较快，但是跟ZigBee工作在同一个频段上，容易对采集模块产生干扰。
2.3 监控中心
监控中心是人机交互的媒介，一般使用高级语言开发（如Java、VC++等），通常具有以下功能：①实时显示数据。数据在监控中心以图形化的形式实时显示到监控界面上，用户可以对当前监测区域的各种环境参数有直观的印象；②更改参数。可以根据用户需求和实际情况调节系统参数，如改变传感器的采集频率、调整报警阀值等；③自动控制。用户可根据参数变化，结合专家系统，实时启用各种自动化调控装备，将环境调至最适宜的状态；④查询历史数据。采集数据一般会自动存入数据库，用户可以根据需要对历史数据进行分析处理[4]。
3 总结和展望
把高可靠性、低成本、低功耗、智能化设备应用于农业中，是现代农业发展的方向。ZigBee 技术作为一种新型的无线网络技术，能通过无线方式构建系统，无线传输监控数据，施工简单灵活，在精准农业的应用方面，具有广阔的市场前景和应用价值。
4 参考文献
[1] 张晓龙.基于ZigBee的农业温室大棚监控系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2010.
[2] 潘明，钟锋.物联网在现代农业上的应用研究[J].现代农业装备，2011（7）：55-57.
[3] 何勇，刘飞，聂鹏程.数字农业与农业物联网技术[J].现代农机，2012（1）：8-10.
[4] 于海业，罗瀚，任顺，等.ZigBee技术在精准农业上的应用进展与展望[J].农机化研究，2012（8）：1-6.
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