基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)

摘 要：無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是具有交叉學(xué)科性質(zhì)的高科技技術(shù)，可以被廣泛的應(yīng)用在醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍事、交通管理、災(zāi)害預(yù)測、橋梁檢測、制造業(yè)、環(huán)境科學(xué)、城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域。結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實際要求，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)結(jié)合，提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)方案，用基ZigBee協(xié)議的CC2530芯片作為傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點，進(jìn)行參數(shù)的采集、傳輸、匯聚和融合，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和專家決策系統(tǒng)，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化和精細(xì)化。

關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè)；監(jiān)控系統(tǒng)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-01

一、背景分析

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)需要花費大量的勞動力進(jìn)入到田間地頭勞作，澆水施肥，耕地等等。不能更合理化的利用有限的資源創(chuàng)造更大的財富，很多時候反而浪費了資源。智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)品通過實時采集溫室內(nèi)溫度、土壤溫度、CO2濃度、濕度信號以及光照、葉面濕度、露點溫度等一系列環(huán)境參數(shù)，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備。可以根據(jù)用戶的需求，隨時進(jìn)行處理，為農(nóng)業(yè)綜合生態(tài)信息的自動監(jiān)測、對環(huán)境進(jìn)行自動控制和智能化的管理提供了科學(xué)依據(jù)。方便人們對農(nóng)田里的作物進(jìn)行科學(xué)化管理，在第一時間了解它們的需求，極大的提高了資源利用率。傳感技術(shù)為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來了革新與飛躍發(fā)展，成為了未來新型農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

二、智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控平臺功能需求

為了方便管理人員對傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的監(jiān)控，分析。具體功能：

（1）實現(xiàn)對農(nóng)田里溫度、濕度、光照、主要生長營養(yǎng)素等的數(shù)據(jù)采集。

（2）實現(xiàn)對傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、監(jiān)測、查看。

（3）對超過設(shè)定閥值的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報警，并能將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)，方便遠(yuǎn)程管理。

（4）對所有采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，生成曲線圖，方便管理和分析。

（5）可以隨意調(diào)用查看歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果實現(xiàn)自動灌溉。

三、無線網(wǎng)絡(luò)的組成及其實現(xiàn)的核心技術(shù)

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點Router和管理節(jié)點。

（一）網(wǎng)關(guān)節(jié)點。負(fù)責(zé)對各節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理以及和外網(wǎng)通信，作為數(shù)據(jù)采集的傳感器節(jié)點響應(yīng)相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)請求，搜集周圍信息，如溫度、濕度，光照等；同時還要兼具有路由功能，依據(jù)一定的路由協(xié)議直接或者通過作為多跳中轉(zhuǎn)的節(jié)點中傳輸?shù)絪ink節(jié)點，再借助臨時建立的sink鏈路把整個區(qū)域內(nèi)所監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程中心。

（二）傳感器節(jié)點。采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸?shù)倪^程中監(jiān)測數(shù)據(jù)被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)管理節(jié)點。傳感器節(jié)點之間通信采用的是基于Zigbee技術(shù)的CC2530芯片實現(xiàn)。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種短距離的無線通信技術(shù)，具有低功耗、低速率、低成本、低復(fù)雜度等一系列特點。Zigbee遵循開放系統(tǒng)互連參考模型，協(xié)議棧包括物理層、媒質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，支持自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。CC2530是TI公司生產(chǎn)的一款基于具有SOC，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的無線接收靈敏度以及抗干擾性能，其傳輸?shù)木嚯x大于75m，最高傳輸速率可達(dá)250Kbps。

（三）管理節(jié)點。用于動態(tài)的管理整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過管理節(jié)點訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源。

（四）監(jiān)控系統(tǒng)軟件。采用模塊化設(shè)計，VC++6.0軟件編寫，采用數(shù)據(jù)庫方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲以及讀取，并相應(yīng)的對參數(shù)進(jìn)行控制。系統(tǒng)可分為登陸模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)庫修改及管理及查詢模塊、專家決策系統(tǒng)和控制模塊（主要用于控制自動灌溉等技術(shù)的實現(xiàn)）。

四、參數(shù)設(shè)置

農(nóng)業(yè)中檢測的參數(shù)主要有土壤溫度、土壤濕度、光照度、CO2、土壤水分、土壤養(yǎng)分以及各種被控對象的開關(guān)量等。不同情況下不同，具體如下所示：

（一）溫、濕度節(jié)點：用于溫、濕度監(jiān)測，溫度傳感器選用DS18B20，測溫范圍為-55℃～+125℃，分辨力最高達(dá)±0.0625℃，精度±0.5℃，響應(yīng)時間<1s。濕度傳感器的選擇頻率輸出濕度模塊HF3226（用濕敏電容HS1101制造），寬量程：10～95%RH，體積小，性能穩(wěn)定，工作溫度范圍–40～80℃，精度±5%RH，比例線性的頻率輸出。

（二）光照度、CO2節(jié)點：傳感器采用PD-LL，精度：±2%，測量范圍0-20000lux。CO2傳感器選擇TGS4160（固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件），測量范圍：0～5000ppm；加熱器電流：250mA；加熱器電壓：5.0±0.2VDC；加熱器功耗：1.25W；溫度：-10～+50℃。

（三）土壤溫度、養(yǎng)分、水分節(jié)點：土壤水分傳感器選擇AQUA-TEL，測量各種土壤的單位體積含水量，測量范圍：0-100%，誤差<3%，重復(fù)性誤差<1%；土壤養(yǎng)分測定包括土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、氮、磷、鉀pH值以及交換性鈣、鎂的檢測，可采用離子、生物傳感器。

五、結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合了傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。各傳感器分工合作，自主組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化。具有隨機(jī)部署、分布式結(jié)構(gòu)、自組織、智能型、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等等特點。將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)經(jīng)過近幾年的研究已經(jīng)接近成熟，并且將在以后的飛速發(fā)展下為世界帶來更多好處。如果對傳感器節(jié)點加以修改，按照自己的需求重新配置，可將其應(yīng)用于更多方面，如環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療事業(yè)、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]李慧，劉毅.溫室控制技術(shù)的發(fā)展方向[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2004（05）：78-80.

[2]陸志平，秦會斌，王春芳.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2006（05）：123-125.

[3]于海斌，曾鵬.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社.2006.

[4]ZigBee Alliance.ZigBee specification[Z].ZigBee Alliance，2006.