农田土壤墒情信息数据的传输需要大量的数据采集和监测节点，相对于工业现场，具有传输数据量小、覆盖范围广、通信距离远、维护相对不便等特点。
　　考虑到传输距离、成本、能耗、可靠性和现场环境等因素，传统采用的基于 GSM/GPRS 的数据传输系统效率较低、成本较高，不适宜大范围的农业数据采集和检测。如果采用 ZigBee 技术构建农田信息采集传输网络，能够在较大范围内有效地获取和发送数据，而且通信过程不产生通信费用，特别适合于土壤墒情监测信息采集系统的应用需求。目前，ZigBee 技术已广泛应用于农业活动中的远程数据传输系统，取得了较多的研究成果。
　　1 系统结构设计
　　根据农田现场情况，采用扩展星型网络拓扑结构，土壤墒情信息采集系统由一个 ZigBee 中心节点（ 协调器） 和若干个具有多路输入输出信号的 ZigBee路由节点组成一个无线网络。考虑到路由节点的通用化和扩展性，节点具有 2 路输入信号、2 路继电器输出信号、2 路模拟信号扩展，可外接土壤水分传感器、土壤盐分传感器等。系统工作时，从服务器端通过软件对相应的监测点发出“信息监测”命令，经过和服务器端相连的 ZigBee 协调器发出指令； 网络路由节点收到命令后，切换到工作状态，启动相应的控制指令，从外接传感器的端口采集数据，由路由节点处理器将数据封装为 ZigBee 协议数据包，并从路由节点的 ZigBee模块发出信息至服务器； 服务器收到数据包后，进行数据包解析，提取需要的土壤墒情信息，记入数据库存储，并通过 Internet 进行发布。为了节约功耗，路由节点一旦和协调器节点建立通信网络之后，应进入休眠状态，直到接收到服务器指令后开始工作，工作结束再次转入休眠状态。考虑到系统的可靠性，采用应答机制，以确保可靠的数据传输。将放置于农田中不同位置的节点设置为路由节点的优点在于能够有效利用中继特性，最多可中继 6 次，传输较远的距离。
　　整个系统示意图如图 1 所示。ZigBee 网络具有很好的自组织性，新加入的节点能够很快和协调器通信，实现扩展。

　　图 1 数据采集系统结构示意图
　　2 终端节点系统设计
　　2. 1 芯片 / 模块选型
　　无线终端节点采用模块化、集成化、标准化结构，便于容量扩充和引入新的硬件模块，容纳新业务，支持新技术。综合考虑低功耗、低成本、高可靠性、小型化等因素和设计要求，主控板 MCU 选择 C8051F34X全速 USB FLASH 微控制器。该微控制器是完全集成的混合信号片上系统型 MCU，低功耗，具有较强的处理能力，集成模拟外设、数字外设和 USB 控制器，能够适用于多种工业应用场合。ZigBee 网络通信的射频模块选用低功耗、通讯能力很强的 XBee Series2 OEMZigBee Pro RF 模块。该模块符合 ZigBee 标准协议，模块操作在 2. 4GHz 频段，室外明视距离高达 1. 6km，数据速率为 250kbps，具有重试和确认功能，支持点对点、点对多点和对等网络，可自动路由、自我诊断，能够满足本系统的设计要求。土壤水分传感器采用SGR － 1 型阻抗式土壤水分传感器，可以测定 10kPa ～15MPa 的土壤水势，适合于对干旱地区土壤水分的测定。土壤盐分传感器采用 KTR － TYC －2 型土壤盐分传感器，可直接监测土壤里的水盐动态变化。
　　2. 2 路由节点硬件架构
　　根据 PCB 电磁兼容设计布局与布线的重要原则及 ZigBee 射频电路的 PCB 设计建议，防止电磁相互干扰，采用核心板加底板的设计思路。
　　从设计通用化角度考虑，处理器模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等； 无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据； 模拟信号接口从外接的传感器上获取相应的土壤墒情数据； 开关量和外设接口用于手动或自动产生输入信息，并在LED 上显示； 能量供应模块（ 电源） 设计为开关可控的系统供电电源，节点电源由两节 1. 5 伏高容量碱性电池组成，可确保 1 ～2 个月的使用时间。以上设计中，要充分考虑系统工作的稳定性、可靠性和抗干扰性等。终端节点的电路原理图如图 2 所示。

　　图 2 终端节点电路原理图
　　3 关键技术及实现
　　3. 1 ZigBee 网络的构建
　　对 ZigBee 的操作有两种基本的模式，AT 命令模式和 API 操作模式。本系统中采用 API 操作模式，具有更快的执行速度。API 规定了通过串口数据帧如何发命令，命令响应，以及模块状态与信息传送与接收。
　　ZigBee 的组网是建立在 802. 15. 4 层组网协议的基础上的，ZigBce 的无线组网就是通过不断的对 802.
　　15. 4 层组建的星型网络调用拓展而形成更加健壮灵活的网络。其建网流程如图 3 所示。

　　图 3 ZigBee 建网流程图
　　协调器的主要任务是组建 ZigBee 网络、允许终端节点加入网络、绑定终端节点，将土壤水分、盐分等数据传送给服务器。
　　协调器设备都已经具有了一个唯一的固定的 64位 IEEE MAC 地址（ 扩展地址），但是作为组网的标识还必须分配给自己一个 16 位的网络地址（ 短地址） 。使用短地址进行通信可以使网络通信更轻量级、更加高效。这一短地址是预先定义的，PAN Coordinator 的短地址通常被定义为 0x0000。协调器加电后，首先搜索信道，选定信道后将完成初始化和建立网络的任务，包括 PAN ID 的设定、协调器地址的设定和其他一些网络参数的设定。当有节点加入网络时，如果其发送的信息都正确，协调器将允许其加入网络，并分配给节点一个 16 位的短地址和相关的网络参数，作为设备在网络中的标识。如果协调器收到了节点的绑定请求，协调器要响应节点的绑定请求。对于接收到的数据，在接收数据的同时，协调器还要将数据通过RS232 串口发送到服务器，来监测测量的结果是否符合设计要求。ZigBee 无线网络是动态生成，即自组织、自管理，这就需要一个灵活的地址分配机制，有效地址分配机制为路由建立了良好的基础。
　　3. 2 节点编号及命名
　　为了能判别哪个采集信息是哪个终端节点所发送的，需要给终端节点命名来进行识别。根据判别采集信息发送端的短地址来对终端节点进行编号，终端节点短地址从 0x715 开始递增，节点编号从 1 开始递增，并且一一对应。在每个节点加入网络前，需要通过下载接口给每个节点的 ZigBee 模块命名； 在加入网络后，终端节点的处理器将通过相关函数读取 ZigBee节点的 NodeID 信息，并和信息数据一起封装传送给协调器节点，最终在服务器端获取其节点名称，便于进行处理。
　　3. 3 路由表的建立
　　在 ZigBee 通信协议中，可以进行点对点式通信，也可以进行广播方式通信。考虑到广播方式通信延时大、效率低、不适宜采用应答机制等问题，本设计采用点对点式通信。首先，需要对 ZigBee 路由器节点进行 Node ID 设置，这将通过 RS232 口进行； 设置后，路由器节点将这些地址存储到相应的 Flash 地址中；接着，ZigBee 路由器节点将编号地址发给 ZigBee 协调器节点。鉴于 ZigBee 路由器节点的 Node ID 可能发生修改，间隔一定时间，将各个 ZigBee 路由器节点Node ID 依次发给网络中的协调器节点。最后，协调器节点建立一个路由表，这个路由表有两列，第 1 列是路由节点的 Node ID，第 2 列是监控器设备所连接的 ZigBee 路由器节点的短地址即 ZigBee 网络所分配的地址。
　　通过服务器端软件建立 Node ID 和某区域的对应关系，以方便用户使用。当服务器要向终端节点发起数据请求时，通过串口发送 Node ID 和请求，协调器收到 Node ID 后，查找路由表，找到其对应的 ZigBee 路由器节点的短地址，将信息发给此 ZigBee 路由器节点。相应的，路由节点通过传感器采集到数据后，将封装后的数据通过 ZigBee 发送给协调器，协调器解析数据包，获取其路由节点短地址，查找路由表，找到Node ID，连同数据信息通过串口发送给服务器，服务器收到信息之后，将会在界面上显示对应区域的土壤墒情。
　　3. 4 网络数据传输设计
　　数据传输系统将 ZigBee 网络协调器收集到的各路由节点信息通过 USB 接口（ 虚拟为串口） 传送给服务器。数据传输编码格式为： 节点 ID、土壤水分、土壤盐分值等。路由终端节点发送数据流程如图 4 所示。
　　ZigBee 协议定义了 3 种寻址方式： 直接寻址、间接寻址和广播寻址，本文采用直接寻址方式。设备要直接寻址必须知道接受方的短地址。当应用对象需要发送数据时，通过 APS 数据实体 APSDE_DATA. re-quest 原语调用 APS 层的一个数据请求。数据将会被封装上每个下层协议的头部。

　　图 4 终端节点发送数据流
　　当路由节点接受到一个单播的消息，其 APS 层就会激活 APSDE_DATA. indication 原语处理消息。如果接受到的是一个确认帧，则 APS 层应该发送 APSDE_DA TA . confirm 确认。信息采集的主要过程共分 3 步。
　　由协调器通过原语 APSDE_DATA. request 发送查询命令，终端通过 APSDE_DATA. indication 原语来接受命令，然后将节点 ID、水分、盐分值等经过封装后的信息再通过 APSDE_DATA. request 原语发送回协调器，协调器同样通过 APSDE_DATA. indication 原语来接受信息。充分考虑到系统数据传输的可靠性，在设计时采用应答机制保障通信双方可靠的通信连接。在C8051F 340 上移植了uCOS－II 操作系统后，系统具有较强的实时性，并可实现多任务处理，简化了应用系统软件的设计，提高了系统的稳定性和可靠性，满足系统的实际需求。
　　4 测试方法与性能分析
　　从两个方面对搭建的平台进行测试： 首先是对所组的网络进行测试，其次对节点的通信质量进行了测试。要进行组网测试，首先将协调器程序烧入一个节点作为协调器，对 30 个路由节点模块定义、命名，依次给终端节点加电，终端节点随后就会寻找网络，并通过发送 MAC 帧和同步帧将自己加入这个网络中去。服务器每隔一定时间要对加入网络的点进行巡查，若通讯异常，便提醒工作人员及时处理。
　　测试在无障碍空地进行测试，在 300，800，1 600m处测试，然后通过中继，合理布设路由节点，在 3 000，6 000，9 000m 处测试。结果表明： 通信效果良好，最远可达约 10km 的通信距离，系统达到设计目标，具有很好的传输特性； 同时发现在雨雪天、大雾等气候条件下，通讯距离受到明显影响。考虑到农田信息传输需要更远的距离，提出一种改进思路，可以将 ZigBee的协调器模块和 GSM/GPRS 模块相结合，开发 WSN网关节点，这样利用现有移动通信网络可实现更远距离的数据传输。
　　5 结论
　　本文将 ZigBee 技术应用于土壤墒情信息采集系统，设计了满足系统需求的无线监测节点，目前在某地进行进一步测试和评估。测试表明该系统具有通信能力强、可靠性高、通用性好和成本低廉等特点。