無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

甘露，熊文珍（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南信陽　464000）

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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

甘露，熊文珍
（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南信陽464000）

摘要：無線傳感器在我國(guó)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，文章首先對(duì)無線傳感器的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，給出了設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路，最后對(duì)當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)用應(yīng)用中存在的突出問題進(jìn)行了分析，對(duì)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，對(duì)該領(lǐng)域的研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；農(nóng)業(yè)；應(yīng)用

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，傳統(tǒng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要采用有線通信技術(shù)構(gòu)建，雖然系統(tǒng)的時(shí)效性好、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定，但也存在擴(kuò)展不靈活、部署不方便、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，在這種情況下，無線傳感器由于能耗小、安裝彈性大、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中得到了廣泛和快速的應(yīng)用。

1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）總體設(shè)計(jì)及工作流程。針對(duì)不同的設(shè)施農(nóng)業(yè)，無線傳感器的硬件設(shè)計(jì)方案會(huì)有所不同，但是其本質(zhì)都是以傳感器為核心，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以用戶為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)布局，通用的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

其典型工作方式為：在預(yù)定的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布設(shè)大量傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息可自動(dòng)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，也可通過其他的傳感器轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后通過無線通信的方式（移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、廣域網(wǎng)等）將傳感數(shù)據(jù)傳送給用戶所在的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)通過上位機(jī)管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，形成控制決策和控制指令，并通過網(wǎng)關(guān)將決策和指令發(fā)送給監(jiān)測(cè)區(qū)域的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施環(huán)境的精確控制。

（2）無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是通過最小化的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供微控制器在不同晶振節(jié)點(diǎn)下的工作模式，并可進(jìn)行自動(dòng)切換，通過射頻天線實(shí)現(xiàn)通信功能，通過動(dòng)態(tài)電源管理模塊實(shí)現(xiàn)功耗的動(dòng)態(tài)控制，典型的硬件設(shè)計(jì)的示意圖如圖1所示。

在圖1節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，AD轉(zhuǎn)換電路是不同形式數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)接口，USART接口通過異步串行的方式來接收數(shù)字輸出量，I2C接口是溫濕度和光照度傳感器的通信端口，射頻模塊由一個(gè)甚高頻的帶通濾波器和全向天線組成，復(fù)位電路主要用于重啟節(jié)點(diǎn)。

圖1　無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)示意圖

（3）網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常在農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，傳感器采集的信息必須通過網(wǎng)關(guān)傳送至用戶，而用戶為了處理信息的方便，一般將后臺(tái)的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)設(shè)置在距離傳感器網(wǎng)絡(luò)比較遠(yuǎn)的地方，這時(shí)就需要一個(gè)網(wǎng)關(guān)來構(gòu)件遠(yuǎn)距離的信息傳輸通道。在網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)中，采用RS232串口通信協(xié)議傳輸時(shí)，信號(hào)的衰減較大，如果通過無線中繼的方式傳輸成本較高，而且故障率居高不下，所以，可采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)通信的網(wǎng)關(guān)，具體的硬件設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)除了作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，發(fā)送指令和傳輸數(shù)據(jù)外，還作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸通道的中轉(zhuǎn)站。協(xié)調(diào)器采用CC2430芯片，傳輸模塊采用LPC1114，網(wǎng)口芯片采用ENC28J60。

圖2　網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)示意圖

在硬件的設(shè)計(jì)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還要選擇移動(dòng)的終端和控制機(jī)構(gòu)，并架設(shè)無線網(wǎng)橋，對(duì)射頻模塊的通信性能進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，文章不再進(jìn)行贅述。

2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）軟件系統(tǒng)總體框架。在無線傳感器的硬件設(shè)計(jì)方案確定后，需要對(duì)其軟件系統(tǒng)進(jìn)行匹配，傳感器信號(hào)的采集、通信數(shù)據(jù)的傳輸和處理、各模塊之間的信息交換等都需要進(jìn)行規(guī)范和約定。基于網(wǎng)路通信的構(gòu)建基礎(chǔ)，軟件系統(tǒng)的構(gòu)成一般也由四部分組成，典型的系統(tǒng)軟件分為即物理層、網(wǎng)絡(luò)/傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。目前通用的無線通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議是國(guó)際電聯(lián)在2003年12月提出的802.15.4局域網(wǎng)/城域網(wǎng)無線通信協(xié)議，該協(xié)議具有成本低、功耗小、數(shù)據(jù)流量少等優(yōu)點(diǎn)。在該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的ZigBee技術(shù)與802協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層和物理層相互兼容，目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是主流的協(xié)議。

（3）系統(tǒng)軟件各層次的實(shí)現(xiàn)。物理層是軟件設(shè)計(jì)的最底層協(xié)議，所實(shí)現(xiàn)的主要功能是對(duì)射頻模塊的功率、接口芯片的初始化，對(duì)傳感器的信息采集過程進(jìn)行規(guī)范和約定，對(duì)傳感器電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。我國(guó)目前采用2.4GHz作為ZigBee技術(shù)的頻段，這是國(guó)際電聯(lián)指定的免費(fèi)通信頻段。802.15.4協(xié)議中將該頻段區(qū)分為16個(gè)信道，信道間隔為5MHz。物理層數(shù)據(jù)幀包括數(shù)據(jù)包包頭同步、物理層包頭和物理層數(shù)據(jù)內(nèi)容三部分。網(wǎng)絡(luò)和傳輸層主要是約定通信網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)功能協(xié)議，建立通信路由選擇的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。該層的數(shù)據(jù)包格式主要由幀頭、載荷和幀尾組成，其中載荷域可以根據(jù)需要進(jìn)行不同的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，傳輸層具有安全校驗(yàn)機(jī)制，通過卷積運(yùn)算等算法對(duì)載荷進(jìn)行校驗(yàn)和糾正。數(shù)據(jù)層主要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分類和錄入，對(duì)數(shù)據(jù)流和指令流進(jìn)行傳輸。應(yīng)用層則主要進(jìn)行人機(jī)交互的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。ZigBee應(yīng)用層中包含應(yīng)用支持子層、ZigBee設(shè)備對(duì)象和生產(chǎn)廠商定義的設(shè)備對(duì)象。

3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用存在的問題

（1）感知網(wǎng)絡(luò)的功能性問題。目前各類基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，其傳感器種類主要集中在空氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度、土壤電導(dǎo)率、光照度等，這些傳感器感知到的只是農(nóng)作物部分的生產(chǎn)環(huán)境信息，并不是所有的環(huán)境信息，所以對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知范圍要進(jìn)一步拓展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合、后臺(tái)管理系統(tǒng)等需要進(jìn)一步完善。

（2）傳感器的即插即用問題。隨著農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度不斷提高，對(duì)傳感器的種類和功能要求也越來越高，但是由于目前的傳感器種類繁多，各類設(shè)備的硬件和軟件也不能完全兼容，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建彈性還不夠大，構(gòu)建還不夠方便快捷，還不能實(shí)現(xiàn)無線傳感器的熱插拔，即即插即用，需要在以后的研究和應(yīng)用中進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)的互連問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)的互聯(lián)也是當(dāng)前面臨的主要問題，雖然目前的軟硬件設(shè)計(jì)基本解決了這個(gè)問題，但是一般局限于小規(guī)模組網(wǎng)或者是局域網(wǎng)的組網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)的傳輸過程不夠透明，沒有統(tǒng)一規(guī)范的通信協(xié)議，雖然通過網(wǎng)關(guān)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和交流，但是在大規(guī)模組網(wǎng)的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)效率低下、造價(jià)和成本高、故障較多等問題，在以后的研究中需要重點(diǎn)關(guān)注無線路由器網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)在物理層和協(xié)議層的鏈接問題。

（4）上位機(jī)軟件的功能性問題。如上文提到的，目前的上位機(jī)軟件雖然基本滿足對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)的分析和處理要求，實(shí)現(xiàn)輔助決策，但存在著數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘能力弱、數(shù)據(jù)的共享機(jī)制還不夠成熟、對(duì)數(shù)據(jù)的開發(fā)和應(yīng)用不充分的問題。另外軟件的人機(jī)交互界面還不夠優(yōu)化、數(shù)據(jù)的顯示和處理還不夠直觀便捷、數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)過程還不夠透明，這些問題也是下一步的研究方向。

（5）傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗問題。局限于芯片和集成電路技術(shù)問題，目前傳感器的功耗居高不下，對(duì)無線傳感器的布設(shè)來說，因?yàn)槌杀舅蓿话悴捎秒x線供電的方式進(jìn)行，這就要求傳感器能夠具有盡可能低的功耗和盡可能小的體積，以便于降低維護(hù)和管理的成本，所以在以后的研究中應(yīng)注意低功耗、小體積、長(zhǎng)壽命傳感器的研制和應(yīng)用，同時(shí)具有自主充電功能（比如生物充電、太陽能、風(fēng)能充電等）的傳感器也是研究的方向之一。

4　結(jié)語

無線傳感器以其自身的顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在動(dòng)植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)、大田環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、溫室環(huán)境中發(fā)揮了重要的作用，隨著國(guó)務(wù)院“國(guó)家傳感信息中心”的設(shè)立，無線傳感器在我國(guó)農(nóng)業(yè)中必將發(fā)揮更大的作用。

Application of Wireless Sensor Network in Agriculture

GAN Lou，XIONG Wen-zhen
（Xinyang Vocational and Technical College，Xinyang，Henan 464000，China）

Abstract:Wireless sensoris widely used in the fieldof agriculture.This paper first studies the design of hardware and software of wireless sensor，then puts forward the design scheme and design ideas.Finally，this paper analyzes the problems existing in the agricultural application of wireless sensor network，and provides reference for the future direction development prospects.

Key words:wireless sensor network；System design；Agriculture；application

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）05-0110-02

收稿日期：2016-04-19

作者簡(jiǎn)介：甘露（1981-），女，河南信陽人，碩士，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。