1 案例背景
　　精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是由信息技術(shù)支持的,、根據(jù)空間變異定位,、定時,、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng),。
　　其基本涵義是根據(jù)作物生長的土壤性狀,，調(diào)節(jié)對作物的投入,，即一方面查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標(biāo),，進(jìn)行定位的“系統(tǒng)診斷,、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝,、科學(xué)管理”,，調(diào)動土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入,，并改善環(huán)境,，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)由10個系統(tǒng)組成,，即全球定位系統(tǒng),、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測系統(tǒng),、農(nóng)田地理信息系統(tǒng),、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、智能化農(nóng)機(jī)具系統(tǒng),、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓(xùn)系統(tǒng),。其核心是建立一個完善的農(nóng)田地理信息系統(tǒng)（GIS）,，可以說是信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全面結(jié)合的一種新型農(nóng)業(yè)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)將農(nóng)業(yè)帶入數(shù)字和信息時代,，是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向,。
　　精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)通過精心計(jì)算出莊稼所需化肥、水分,、農(nóng)藥等的量,，就可以極大地節(jié)約各種原料的投入，大大降低生產(chǎn)成本,， 提高土地的收益率,，同時十分有利于環(huán)境保護(hù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由粗放型轉(zhuǎn)向集約型經(jīng)營,，其重要性是使各種原料的使用量達(dá)到非常準(zhǔn)確的程度,，經(jīng)營可以像工業(yè)流程一樣連續(xù)地進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?jīng)營,。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，如根據(jù)土壤的需要使肥力的狀況得到改善,，根據(jù)病蟲害的情況來調(diào)節(jié)農(nóng)藥噴灑量,，根據(jù)干旱情況及時灌溉，自動調(diào)節(jié)拖拉機(jī)耕種深度,，及時改善土壤,，防止土地板結(jié)和肥力下降等。
　　中國農(nóng)業(yè)大體上是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),，個人擁有的土地比較小,，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智能化農(nóng)業(yè)在大部分地區(qū)并不適用。但是對于集約化,、規(guī)?；霓r(nóng)場(如黑龍江八五二農(nóng)場、大西江農(nóng)場)以及藥劑制藥集團(tuán)下屬農(nóng)場等，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展應(yīng)用得到了政府的大力支持,，這也體現(xiàn)國家對農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的推動和重視,。
　　本文基于近年來發(fā)展勢頭很迅猛的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee，闡述一種易于實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng),。
2 系統(tǒng)描述
　　在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中,，有不少的自動化系統(tǒng)，如灌溉施肥自動化控制系統(tǒng),、自動化噴淋系統(tǒng),、LED燈光補(bǔ)光系統(tǒng)、無土栽培配合壓力補(bǔ)償?shù)喂嘞到y(tǒng)等,，如果說傳感檢測是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的眼舌耳鼻喉（感受器官）,，那么通信網(wǎng)絡(luò)無疑就是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)了。
　　說到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，則不得不提到目前嵌入式應(yīng)用的一大熱點(diǎn)技術(shù)——ZigBee,。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度,、低功耗,、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中,，同時支持地理定位功能,。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù),。
　　ZigBee應(yīng)用在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中,，構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢如下：
　　(1)相比于數(shù)傳電臺技術(shù)(大功率315 MHz/433 MHz模塊），ZigBee技術(shù)具有功率小,、耗電低的特點(diǎn),，電池供電便于安裝維護(hù)；
　　(2)網(wǎng)絡(luò)特性,，ZigBee有一套健全的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,，能夠方便地實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)、自動路由,、冗余網(wǎng)絡(luò)故障自恢復(fù),；
　　(3)2.4 GHz低功率高頻信號，輻射小,，效率高,。相比于其他通信手段，ZigBee的發(fā)送功率通常只有幾毫瓦,，通過器件自身非常高的接收靈敏度(通常是-90 dB～-105 dB),，保障了通信距離,，而各國相關(guān)部門對ZigBee射頻收發(fā)器功率也有嚴(yán)格的限制，不能超過100 mW(CDMA的最大發(fā)射功率是200 mW,；GSM最大發(fā)射功率是2 W),，此技術(shù)產(chǎn)生的電磁波輻射不會對農(nóng)產(chǎn)品及工作人員產(chǎn)生不良影響。
　　(4)分布式網(wǎng)絡(luò)對于大面積多采樣點(diǎn)監(jiān)控十分必要,，只有全面掌握各個點(diǎn)的信息,，才能完整地使用地理信息系統(tǒng)（GIS），形成完備的數(shù)據(jù)信息庫,，才能幫助農(nóng)場技術(shù)人員全面地了解地理信息,，同時，也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念中的精準(zhǔn)控制性,。
3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)
　　要實(shí)現(xiàn)農(nóng)場傳感檢測及控制網(wǎng)絡(luò),，需要具備以下組件：傳感器、動作器,、微處理器以及無線傳輸模塊(ZigBee模塊),。典型的傳感器包括溫度傳感器(DS18B20芯片只有小紐扣大小)、水位傳感器,、壓力傳感器等,；動作器包括繼電器、電機(jī)和燈光控制器等,，原來的灌溉施肥自動化控制系統(tǒng),、自動化噴淋系統(tǒng)、LED燈光補(bǔ)光系統(tǒng)中都有類似的執(zhí)行特定動作的器件,；微處理器用于處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)并按照事先制定的邏輯對動作器進(jìn)行控制,，而同時，也通過ZigBee模塊將需要的信息發(fā)送到監(jiān)控中心,，并按照監(jiān)控中心發(fā)過來的命令進(jìn)行采集和控制,。
　　目前市面上簡便易用的ZigBee模塊本身就具備了微處理器MCU可以處理和控制底層的傳感器和動作器，這種類型的模塊（芯片）更加集中地體現(xiàn)出ZigBee技術(shù)“傳感網(wǎng)絡(luò)”的特性,。
　　圖1中的結(jié)構(gòu)適合單點(diǎn)控制,，天線及傳感器動作器都在同一個物理地點(diǎn)，這樣做的好處在于便于安裝管理,，缺點(diǎn)是成本較高,。

　　為降低成本，還可以使用如圖2所示的結(jié)構(gòu),，就近通過有線方式引出多個傳感器,，采集多點(diǎn)的信息，并控制多個動作器。

　　這些節(jié)點(diǎn)在農(nóng)場分布之后,，形成一個ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò),，如圖3所示。這是一個分布式數(shù)據(jù)采集及分布式控制系統(tǒng),，每個節(jié)點(diǎn)不僅具備簡單實(shí)用的環(huán)境感知能力,，簡單邏輯進(jìn)行控制(如溫濕度高于特定值時啟動調(diào)溫調(diào)濕設(shè)備)，同時還因?yàn)榫邆錈o線網(wǎng)絡(luò)功能,，可以將數(shù)據(jù)傳到農(nóng)場控制中心,，在那里，專業(yè)的農(nóng)業(yè)技術(shù)人員根據(jù)專家知識,，對整體或局部進(jìn)行“診斷”及“醫(yī)治”,，通過此無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行命令控制，如在特定天氣動態(tài)地調(diào)整灌溉時間和灌溉水量,，根據(jù)植物生長特點(diǎn)進(jìn)行燈光控制（大棚系統(tǒng)）,。

　　系統(tǒng)中使用的ZigBee模塊為ZICM2410模塊，配備9 dB增益的天線,，單點(diǎn)覆蓋面積達(dá)到空曠半徑500 m,，應(yīng)用中需要注意的問題包括：
　　(1)2.4 GHz的射頻信號波長短，容易被物體遮擋,，因此需要將天線拉高,，最好高過農(nóng)作物的水平面，因此安裝時應(yīng)當(dāng)注意,。
　　(2)電池供電,，按照1 min采集一次數(shù)據(jù)的頻率，ZigBee模塊可以工作半年到兩年之久,，但是要注意電池本身的質(zhì)量和環(huán)境適應(yīng)性，如在暴曬雨淋或者濕度大的情況下,，質(zhì)量不好的電池則非常容易出現(xiàn)問題,，ZigBee模塊本身如果是工業(yè)級的，對于溫濕度變化并不敏感（ZICM2410本身可工作在-40 ℃~+85 ℃,，自然環(huán)境的溫度變化并不會比實(shí)驗(yàn)室模擬的溫度劇變強(qiáng)烈）,。
　　(3)天線的安裝，如果使用全向天線,，要注意水平方向的對齊,，這樣能最大地利用射頻能量，保障傳感器數(shù)據(jù)的可靠傳輸,，關(guān)于天線的相關(guān)知識,，參看文章《ZigBee物理層分析》（致遠(yuǎn)電子《嵌入式對話》）。
4 核心器件
　　ZICM2410是美國CEL公司根據(jù)自主研發(fā)的ZigBee ready模塊（如圖4所示），為2.4 GHz IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)提供一個高性能低成本的組網(wǎng)方案,。ZIC2410芯片是一款真正意義上的ZigBee片上系統(tǒng)：集成了ZigBee無線收發(fā)器和一個單指令內(nèi)嵌Flash空間的51CPU核,，同時還有GPIO、UART,、音頻解碼器（IIS接口,，PCM/μ-a-law/ADPCM格式），ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)的速率可以達(dá)到1 Mb/s,。

　　ZICM2410主要性能參數(shù)如下：
　　(1)功率
　　103 dB鏈路預(yù)算,；接收靈敏度-97 [email protected] V；發(fā)送功率+6 [email protected] V,；3 000英尺無障礙傳輸距離,；最低睡眠電流<1 μA；工作電壓2.1 V~3.3 V,；接收電流35 mA,；發(fā)送電流44 mA。
　　(2)對內(nèi)接口類型
　　CPU：單指令51內(nèi)核CPU,；96 KB Flash,，8 KB RAM；GPIO個數(shù)：22,；接口類型：SPI(主從),；UART（2路）、I2S/PCM,；4路8位ADC,。
　　(3)溫度范圍
　　工作溫度：-40 ℃~+85 ℃；保存溫度：-55 ℃~+125 ℃,。
　　(4)速率
　　ZigBee(250 kb/s),；Turbo(500 kb/s)；Premium(1 Mb/s),。
5 結(jié)束語
　　國內(nèi)在規(guī)?；r(nóng)業(yè)場合對ZigBee技術(shù)的應(yīng)用還是極其稀少，但是在國外,，這樣的應(yīng)用已比較普遍,。一方面因?yàn)闊o線傳感技術(shù)在美國及歐美國家起源并推廣的時間比較早，另一方面也因?yàn)檗r(nóng)業(yè)國情的不同,。但是從大的趨勢上看,，先進(jìn)的、產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)總是會得到政府和相關(guān)單位的支持,。本文描述的方案具有技術(shù)先進(jìn)性,、易用性,，非常適合智能化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用場合。