無線傳感器網絡在智能種植中的應用

周達明

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的小型無線傳感器網絡節點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織智能網絡系統。這是一種全新的信息獲取和處理技術，在現實生活中得到了越來越廣泛的應用，正逐步深入到人類生活的各個領域，比如軍事偵察、醫療護理、建筑結構等等。智能種植也是一類典型的無線傳感器網絡應用。傳感器網絡的出現為農業各領域的信息采集與處理提供了新的思路和有力手段。

一、應用背景

該項技術應用前景受各方關注。在美國，英特爾建立了一個無線葡萄園。傳感器被分布在葡萄園的每個角落，每隔一分鐘檢測一次土壤溫度，以確保葡萄的健康生長，進而獲得可觀的產量。在此基礎上，研究人員建立一種系統，用于監視每一傳感器區域的溫度，以及該地區有害物的數量。他們甚至計劃在家畜上使用傳感器，以便可以在巡邏時搜集必要信息。這些信息將有助于開展高效率的灌溉和噴灑農藥，進而降低成本，確保農場獲得高效益。

國家科技支撐計劃項目“西北優勢農作物生產精準管理系統”實施以來，主要針對西部地區優勢農產品蘋果、獼猴桃、番茄等主要農作物，以及西部干旱少雨的生態環境特點開展專項技術研究、系統集成與典型應用示范，成功將無線傳感器網絡技術成功應用于精細農業生產中。這個實時采集作物生長環境的傳感網先進技術應用農業生產，為發展現代農業提供了新的技術支撐。

二、需求分析

①網絡性：節點必須能夠自組織地形成采集、處理和收發監測數據的多跳無線網絡系統，這就要求節點必須要有足夠的存儲空間和數據采集、處理速度等。

②小型化：無線傳感器網絡的具體應用要求節點的體積足夠小，以保證不會對目標系統本身的特性造成影響。

③低成本：低成本是無線傳感器網絡節點的基本要求，也是大規模無線傳感器網絡廣泛應用的前提，因此必須保證低成本。

④低功耗：由于設備的體積有限性及無線傳感器網絡監測環境的特殊性，不可能使用通常的工業電能，只能靠電池長期供電，所以要使用低功耗的器件以節約能源。

⑤穩定性：要求節點的各個部件都能夠在給定的外部環境變化范圍內正常工作，農機的田間作業和各種天氣條件也是系統設計過程中需要謹慎考慮的因素，在硬件出現問題時能夠通過軟件及時感知并采取積極的措施。

三、系統總體設計

綜合分析上述應用特點，借鑒互聯網上的經驗。設計的農田土壤溫濕度監測系統由無線傳感器監測網絡和遠程數據中心兩部分組成，無線傳感器監測網絡由分布在農田中多個智能傳感器節點組成，實時采集土壤水分、土壤溫度參數，基于ZigBee無線通信協議組建Mesh網絡，所有節點數據最終路由到網關節點，由網關節點將全部數據通過GPRS無線通信傳輸方式轉發到遠程數據中心，監測網絡中的所有節點均采用太陽能供電模式，遠程數據中心負責數據的接收、存儲和進一步的分析。

四、農田監測網絡的關鍵技術

1.傳感器節點

傳感器節點是一個微型的嵌入式系統，具有一定的處理能力和通信能力。傳感器節點控制板采用太陽能電源組件供電，支持傳感器數據采集，通過串行端口與上位機通信實現程序下載。土壤水分傳感器采用FDS系列水分傳感器，運用頻域方法測量含水土壤混合體的介電常數，獲得土壤水分，土壤溫度傳感器采用基于半導體PN級測量原理的ST10，將不同傳感器分別連接到節點控制板的傳感器接口，經信號調理后接入A/D通道，通過標定曲線轉換得到對應的測量參數値。

2.網關節點

·無線傳感器網絡數據匯聚。通過異步串行端口連接作為ZigBee網絡協調器的無線通信模塊，網絡協同器功能由板載程序自行完成，族入式Linux只需完成串口數據通信功能。

·GPRS遠程數據轉發。實現GPRS遠程數據通信需要自下而上完成驅動層、協議層和應用層設計；嵌入式Linux內核支持PPP協議和TCP/IP協議，在編譯Linux內核時選中支持這些選項；應用層在網絡連接建立后，具體實現向遠程數據中心轉發數據的功能。

·傳感器網絡數據本地存儲。采用了USB接口存儲方式，具有容量大、可擴展、熱插拔的優點。

·電源輸入。供電部分仍采用太陽能電源，由于網關節點能耗較大，選擇合適功率的太陽能電源組件，同時還需要進行硬件設計優化，以降低能耗。

五、遠程數據中心的關鍵技術

遠程數據中心為一臺具有固定公網IP地址的計算機，在其上運行的基站數據管理軟件是該部分的核心。

基站數據管理軟件實現對分布在農田中的監測節點所采集的定點數據進行時空分析。集成地理信息系統提供制圖、數據編輯的基本功能，還支持空間分析和3D分析等高級操作功能。基站數據管理軟件主要實現數據的接收、存儲和時空分析，根據功能需求，劃分成如下模塊：

（1）數據接收模塊。網關節點與基站之間采用C/S客戶端服務器工作模式，監聽本地IP地址的綁定端口，在確認客戶端即網關節點的連接請求后，接收數據，并根據自定義數據包協議完成數據解析。

（2）數據庫存儲模塊。根據數據的采集時間，采用時段劃分的數據存儲管理方式，將解析數據存儲到數據庫對應表格的對應屬性字段中。

（3）監測量時間變化分析模塊。從數據庫表中讀取監測量數據，以時間為橫軸，繪制監測量隨時間變化的曲線，分析監測量連續變化的特性。

（4）監測量空間變異分析模塊。與災害預警應用不同，農田無線傳感器網絡監測旨在通過節點位置上的環境變量采樣估計其他非節點位置上的數據，生成環境變量的空間分布圖，目前在每個節點中嵌入GPS模塊，成本過高且無必要，因此系統借鑒土壤柵格采樣策略，根據預先的部署設計將節點安裝在網格中，利用GPS測量節點的精確位置，并將節點名稱和位置信息輸入到基站數據管理軟件中，生成傳感器節點圖層，用設定時間間隔所接收到的最新節點數據實時更新節點圖層中土壤濕度、土壤溫度等監測量字段數據，通過空間分析模塊實現空間插值。獲得任意時段的監測量空間分布。

六、可能存在的問題

（1）對于同一塊農田，低功率模塊通信覆蓋范圍小，提高節點部署密度，必然增加投入成本，但有利于保證環境監測變量的采樣密度；高功率模塊可以較好地保證網絡連通性，降低成本，但可能導致采集數據失去空間相關性，因此節點部署需綜合分析通信和采樣兩個因素。

（2）針對農田具體覆蓋作物，設計適宜的節點天線放置高度，有利于減少信號傳輸的路徑損牦。

（3）網絡拓撲結構設計中，每個作為終端設備的傳感器節點在有效通信范圍內至少能夠與兩個以上的作為路由器的傳感器節點通信，以保證一條鏈路出現故障時不會影響到整個網絡。

七、結語

分析農田環境的應用需求，基于無線傳感器網絡技術設計由土壤溫濕度監測網絡和遠程數據中心兩部分組成的農田監測系統。廣域采集、實時傳輸的農田信息化管理解決方案是無線傳感器網絡在農業方面的重要應用示范之一。

我國是一個農業大國，農作物的優質高產對國家的經濟發展意義重大。在目前農業自然資源不斷減少，國內需求量逐年增加的情況下，農業想要進一步發展，就必須要求創新革新，推動農業的現代化、信息化發展。傳感器網絡的出現為農業各領域的信息采集與處理提供了新的思路和高效的手段。無線傳感器網絡是一門新的技術，還有許多課題的研究需要科技工作者堅持不懈的努力。相信在各界人士的奮斗之下，無線傳感器網絡將會更好、更廣地應用于各個行業，造福于社會。