一种基于Zigbee技术在大面积农场管理中组网的方法

摘要：为了实现大面积农场管理，文中提供了一种使用Zigbee无线传感器网络组网的系统，包括第一网关、第二网关、至少一个Zigbee无线传感器网以及RS485有线网络。实际应用表明，本系统利用大面积农场管理系统已有的RS485有线网络，大大降低了组网的成本、提高了管理对象和拓扑的灵活性。
关键词：大面积农场；管理；Zigbee；无线传感器

    当前的大面积农业管理系统中大多采用铺设铜缆来提供管理信息的传输通道，这种方式主要存在以下问题：组网成本过高、有线工程施工成本偏高、不适应大面积农业建筑管理系统中管理对象和拓扑的灵活性、有线的用户控制终端不能够随便移动等等。
    Zigbee无线传感器网络系统由大量的无线传感器网络节点有机组成，Zigbee技术是一种新兴的近距离、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，无线传感器网络节点具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，布置在目标环境中，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。
    虽然Zigbee无线传感器网络具有广泛的应用前景，但是Zigbee技术本身还处在快速发展的初级阶段。现有的Zigbee规范中还存在尚未解决的许多遗留问题，ZigBee规范正在继续改进并将提供更多的功能。

1 系统总体框架
    本文的目的在于，将Zigbee无线传感器网络应用于大面积农业管理系统中，以提供一种Zigbee无线传感器网络在大面积农业管理系统中的组网方法，以使大面积农业中的管理对象可以快速联网，并且具备移动性。
    Zigbee无线传感器网络在大面积农业管理中组网的系统，包括第一网关、第二网关、至少一个Zigbee无线传感器网络和至少一个Zigbee无线传感器网络、RS485有线网络；所述第一Zigbee无线传感器网络通过第一网关与互联网相连；所述第二Zigbee无线传感器网络通过第二网关与RS485有线网络相连，所述RS485有线网络与互联网相连。
    进一步地，所述第一Zigbee无线传感器网络中包括用于连接两个Zigbee无线传感器网络子网或者进行信道迁移的信道网关，所述信道网关包括两个通过串口通信的Zigbee网络单元a和网络单元b，所述信道网关具有第一射频信道和第二射频信道。
    进一步地，所述第二Zigbee无线传感器网络中包括用于连接两个Zigbee无线传感器网络子网或者进行信道迁移的信道网关，所述信道网关包括两个通过串口通信的Zigbee网络单元a和网络单元b，所述信道网关具有第一射频信道和第二射频信道。整体框架图如图1所示。

2 具体实施方式
    Zigbee无线传感器网络在大面积农业管理中组网的系统，包括第一网关、第二网关、至少一个Zigbee无线传感器网络和至少一个Zigbee无线传感器网络、RS485有线网络：所述第一Zigbee无线传感器网络通过第一网关与互联网相连；所述第二Zigbee无线传感器网络通过第二网关与RS485有线网络相连，所述RS485有线网络与互联网相连。其中所述RS485有线网络与互联网的连接方式为现有技术，如通过增加其他网关等设备的现有技术实现互联，在此省略对该部分的描述。
    其中，所述第一Zigbee无线传感器网络中包括用于连接两个Zigbee无线传感器网络子网或者进行信道迁移的信道网关，所述信道网关包括两个通过串口通信的Zigbee网络单元a和网络单元b，所述信道网关具有第一射频信道和第二射频信道。其中，所述第二Zigbee无线传感器网络中包括用于连接两个Zigbee无线传感器网络子网或者进行信道迁移的信道网关，所述信道网关包括两个通过串口通信的Zigbee网络单元a和网络单元b，所述信道网关具有第一射频信道和第二射频信道。
    第一网关可采用三星公司的S3C2440高速处理器。使得该第一网关具备强大的运算处理能力，能够快速的解析系统私有的地址分配管理协议。并且一方面可以提供以太网口的互联网(Internet)访问，同时能够提供有线网络的RS485串口，以及Zigbee无线传感器网络访问接口，因此可以实现互联网和Zigee无线传感器网络以及RS485有线网络的互联访问。
    其中，第二网关可采用FREESCALE的MC13213芯片。其主要包括两个功能单元部分：关于2．4 GHz的收发射频单元的处理；另一部分是关于串口RS-485通信的处理。利用该网关可以通过私有的地址分配和管理协议，实现Zigee无线传感器网络与有线的RS485网络互联组网。功能如图2所示。

    此外，所述第一、第二Zigbee无线传感器网络中还本配合使用Zigbee网关、Zigbee中继器等多种设备(该部分为现有技术故省略具体描述)，以提高了无线传感器网络组网的灵活性，可以实现无线传感器网络与Internet等有线网络无缝连接、互为补充，适合大范围、跨地域组网。
    本实施例中，采用如下信道迁移机制，具体描述如下其中，假设某一第一Zigbee无线传感器网络的节点或者某一第二Zigbee无线传感器网络中的节点均工作在第一信道，所述信道网关的信道迁移具体包括以下步骤：
    第一步：将网络单元b的工作信道从第一信道更改为第二信道；
    第二步：工作在第一信道的网络单元a向全网发送修改工作信道至第二信道的广播命令；
    第三步：节点收到该命令后，向信道网关回复节点的地址，信道网关收到回复后，记录各个节点的网络地址；
    第四步：工作在第二信道的网络单元b发送邀请(hello)到各个已经记录的且更改了工作信道的节点，各个节点通过第二信道回复应答(hello)给信道网关；
    第五步：如果回复成功的节点数量与信道网关中记录的节点不一致，则重复第一、二、三、四步，如果一致，则结束信道迁移过程，确保信道迁移过程的可靠性。
    通过上述步骤，可有效的避免由于射频(RF)工作信道的切换，产生与现有的射频网络失去联系的网络孤儿，有效地解决工作信道的可靠迁移问题。具体流程如图3所示。

3 结论
    本方法将Zigbee无线传感器网络应用于大面积农业管理系统中，以提供一种Zigbee无线传感器网络在大面积农业管理系统中的组网方法，以使大面积农业中的管理对象可以快速联网，并且具备移动性，用户控制终端只需要通过互联网即能方便获取无线传感器网络中的节点发送的数据。大大降低了组网的成本、提高了管理对象和拓扑的灵活性。