基于無線傳感器網絡的農業精準控制系統研究*

鮑 娟，柯尊平，劉向陽

(湖北醫藥學院，十堰442000)

1 引言

目前，世界設施農業己經發展到較高水平，形成了成套的技術、完整的設施設備和生產規范，并在向自動化、智能化、網絡化和無線化方向發展［1－2］。中國設施農業研究始于20世紀80年代后期，經過幾十年的發展，取得了舉世矚目的成就。以蔬菜、瓜果、花卉為主的設施栽培面積發展速度異常迅猛，我國設施栽培面積目前已經突破1500萬畝，成為世界設施栽培面積最大的國家［3－4］。

在設施農業領域，無線傳感器網絡也有著得天獨厚的優勢:一方面，低功耗、微型化、高度集成、低價格的傳感器節點，可以密集部署在農業設施內部，實時監測生物的各種生長環境因素，包括溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤含水量、土壤電導率以及土壤養分等;另一方面，與傳統的傳感器手段(如單一大型傳感器、有線傳感器網等)相比，WSN具有無基礎設施(自組織)、精度高、靈活性強、可靠性好等優點，可以有效解決設施農業環境現場監測數據的采集、自組多跳的無線發送等問題，因而成為目前研究的熱點［5－7］。

2 目前農業環境監測系統存在的問題

(1)監測系統的穩定性、可靠性低。

現有的設施農業環境監測系統，通信技術主要采用串行總線技術和現場總線技術等有線通信技術。雖然具有設備互操作性好、抗干擾能力強等優點，但是實際應用時，由于設施內環境長期高溫、潮濕且土壤及空氣具有較高的酸堿性，極容易導致通信電纜的老化，從而降低系統的可靠性。

(2)監測系統部署困難，安裝及維護成本高。

現有的設施農業環境監測系統，大多使用傳統的傳感器技術，工作在有線或無線方式，為提高監控精度，使用多傳感器技術。其缺點是明顯的:①如果采用導線連接傳感器，在實際的農業生產應用中，由于需要密布傳感器節點，才能實現對監測區域的有效覆蓋，這將導致在農業設施內部線纜縱橫交錯，監測系統施工難度大，安裝及維護成本急劇增加。②如果采用傳統無線方式連接傳感器，由于網絡拓撲、通信基礎設施、信道質量和成本等方面制約，使用范圍受到很大限制。由此導致的問題是:①傳感器節點無法密集部署在監測區域并覆蓋該監測區域，實現監測區域任何時空尺度的探測;②各傳感器節點難以協同工作并形成閉環響應系統，實現所采集的大量數據實時融合和數據相關性實時分析。恰恰這是實現工廠化設施農業環境精準控制的兩個前提條件。所以，傳統的檢測技術直接制約著設施農業的現代化進程。

3 無線傳感器網絡在精細農業中的應用

無線傳感器網絡(Wireless sensor Networks，WSN)是一種無中心節點的全分布式系統。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節點被密集部署于監控區域。各傳感器節點集成有傳感器模塊、控制器模塊、通信模塊和電源模塊等，它們以無線通信方式，通過分層的網絡通信協議和分布式算法，可自組織地快速構建網絡系統。傳感器節點間具有良好的協作能力，借助于其集成的形式多樣的傳感器，傳感器節點可探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、水質狀況、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等諸多人們感興趣的物理現象數據信息，通過網關，WSN可以接入Internet，從而將采集到的信息回傳給遠程終端用戶。

首先，建立基于無線傳感器網絡的設施農業精準控制系統的整體結構和協議棧。系統主要由四個部分組成:無線傳感器網絡、無線傳輸網關、網絡基礎設施(主干網)和任務管理網絡(用戶網絡)。根據系統的應用背景和應用特點，設計專門的VIP橋，設計適合的無線傳輸網關，并對協議棧進行跨層優化設計，使得基于無線傳感器網絡的設施農業精準控制系統具有更加優越的能量有效性。

其次，部署基于無線傳感器網絡的設施農業精準控制系統所需的傳感器節點和執行機構。在系統應用中，需要在監測區域隨機部署若干傳感器節點和執行機構。傳感器節點的主要任務是感知、采集和傳輸各種環境信息。執行機構的主要任務是通過控制各種直流電磁閥來控制設施內部對應的物理裝置，達到調節設施內部環境條件的目的。研制的節點與執行機構具有節能、數據傳輸準確、傳輸速率快等優點。

再次，設計基于無線傳感器網絡的設施農業精準控制系統管理軟件。管理軟件運行在微型計算機上，管理軟件包括后臺管理軟件和數據管理軟件。后臺管理軟件主要包括:數據庫子模塊、數據處理引擎子模塊、后臺組件子模塊和用戶圖形界面子模塊。數據管理軟件主要包括5個子模塊:參數設置子模塊、數據采集子模塊、數據處理子模塊、控制輸出子模塊和數據管理子模塊。通過控制系統可以實現遠程數據融合、數據存儲、數據校正、數據查詢、數據顯示、打印等功能。系統框圖如圖1所示。

圖1 基于無線傳感器網絡的設施農業精準控制

4 關鍵科學技術

(1)無線傳感器網絡節點技術

設施農業監測網絡中，傳感器節點均被部署在復雜的環境中，這樣傳感器網絡必須能夠在無任何網絡基礎設施的環境中進行長期的自主工作，傳感器節點的能量主要由電池提供。由于節點受自身特點的限制，節點能量壽命是有限的，而采用太陽能電池或有源電源，又因環境復雜，目前實際應用較少。重點主要研究節點通信，采取優化網絡層和MAC層協議的方式，使節點通過協作方式完成通信監測任務，達到節能控制的目的。

(2)無線傳感器通信協議

無線傳感器網絡是自組織網絡，建立較為完善的網絡拓撲控制管理機制，對于提高路由協議和MAC協議效率是很有幫助的，還有利于延長網絡壽命。重點主要研究在滿足網絡覆蓋度和連通度的情況下，通過選擇路由路徑，生成一個能高效轉發數據的網絡拓撲結構。拓撲控制方面主要研究節點功率控制。控制每個節點的發射功率，均衡節點單跳可達的鄰居數目，提高無線傳感器網絡的效率。

(3)無線傳感器網絡數據管理技術

無線傳感器網絡是以數據為中心的網絡，其目的是感知、獲取、傳輸、處理傳感數據，并將信息傳送給用戶。傳感器網絡為了有效節省能量，在傳感器節點收集數據的過程中，利用本地計算和存儲能力將數據進行融合，取出冗余信息，從而達到節省能量的目的。無線傳感器網絡的設計以傳感數據管理為中心，密切結合數據庫技術和計算機網絡技術，從邏輯概念和軟硬件技術兩個方面實現一個高性能的以數據為中心的網絡系統，為用戶提供一個有效的傳感數據管理系統，使用戶如同使用普通的數據庫一樣自如地在無線傳感器網絡上進行各種應用系統的開發。

5 結束語

在設施農業的真實環境中，采用傳感器、單片機、控制芯片等硬件設施結合數字信號處理器、頻譜分析儀、示波器等儀器設備，根據設施農業具體環境，建立無線傳感器網絡。利用計算機編程語言設計設施農業精準控制系統控制軟件，實現數據采集及數據融合，為用戶提供優良的操控。

［1］劉彩梅，張衍華，畢建杰.設施農業的發展現狀及對策［J］.河北農業科學，2008，12(7):120 －121.

［2］張安虎.南疆地區設施農業發展的現狀及策略［J］.新疆農業科技，2008，(5):13 －14.

［3］曲文濤，范思梁，吳存瑞.我國設施農業發展存在的問題及對策［J］.農業科技與裝備，2010(6):151－152.

［4］周瑩，王雙喜.設施農業發展研究進展［J］.現代農業科技，2010(1):257－258.

［5］羅武勝，魯琴，張勇.超寬帶無線傳感器網絡MAC協議［J］.計算機工程，2008，34(11):108 －110.

［6］張玲，李磊民，黃玉清.藍牙無線傳感器網絡在谷倉監控中的應用［J］.傳感器與微系統，2008，27(5):111－113.

［7］何成平.基于無線傳感網絡的設施農業智能監控系統［J］.常州輕工職業技術學院學報，2009(4):7－8.