智慧農業與無線傳感器應用分析

劉雪霞

（臨汾職業技術學院 山西省臨汾市 041000）

現階段，在農田與森林等規模生產之中，怎么監督控制農業生產環境空氣溫度和光纜、土壤溫度和降雨量等信息，是農業生產質量保證亟需處理的一大問題，借助無線傳感器網絡，實時監督控制和收集農業生產數據，是現下農業物聯網行業探索的關鍵課題，把物聯網技術在農業生產中運用，不僅可以轉變傳統農業經營管理方法，還可以提升農作物病蟲害監控能力，保證農產品質量。下面就針對智慧農業中無線傳感器的運用展開分析論述。

1 智慧農業中無線傳感器的作用

1.1 提供數據平臺服務

數據平臺服務就是借助傳感器與大數據技術、無線通信技術與物聯網技術等展開數據采集和分析，經過可視化展示，對農作物生長狀況展開及時追蹤與病害監督檢測，預測農作物產量等。智慧農業數據平臺服務運用關鍵是采用無人機航拍、衛星遙感與傳感器收集的方式進行數據采集，收集到的數據涵蓋了土地土壤與農作物產量數據、天氣與病蟲害數據等。接著經過對采集的數據加以分析和處理，同時構建可視化模型，達到種植適合區規劃與作物生產預測等作物有效管理的目的。現階段中國注重無人機航拍采集數據的公司少之又少，而比較多的是衛星遙感技術。

1.2 農機自動駕駛

所謂農機自動駕駛，主要是指經過衛星導航達到農機圍繞直線作業的功能，關鍵使用角度傳感器得到農機偏移數據、導航衛星定位追蹤車輛數據以及攝像頭采集作物生長的數據，把這幾個數據通過無線網絡傳遞至控制端，分析數據，且使用車載計算機顯示器及時重現實時工作狀況與進度。農機自動駕駛中，農機車輛導航系統是其運用的基礎，車聯網是農機自動駕駛技術實現的前提條件，經過農機車輛導航系統可以進行農機監控與決策等操作。現如今農機車輛導航系統關鍵運用在小麥機與拖拉機等農業機械中。

2 智慧農業中常用的無線傳感器

2.1 在農業種植中的傳感器應用

當前智慧農業的主要形式是溫室大棚種植，使用的無線傳感器主要有以下幾種：其一是溫濕度傳感器。這種傳感器是當前智慧農業中使用最為廣泛的一種傳感器，通常是使用在溫室大棚、土壤與露天環境等過程中的溫度濕度監測中。空氣濕度傳感器，主要是對農作物生產環境中空氣濕度溫度進行檢測，一般是安裝在大棚或是畜舍中空氣比較流通的遮陽處。土壤溫度和濕度傳感器則是裝置在農作物的根部土壤中，安裝時要依據作物的根系深度確定傳感器的埋入深度。每個大棚一般是安裝2 到4 個傳感器，用其來對作物生長中土壤溫度、水分等情況進行檢測，從而便于澆灌工作的開展；其二是氣體傳感器，目前使用比較多的主要是二氧化碳，這種傳感器一樣適合使用在大棚種植中。因為溫室是一個比較封閉的環境，二氧化碳濃度和外界相比有很大的差異。溫室中二氧化碳含量對作物的生長有一定的影響，二氧化碳太多或是太少，都會對作物形成很大的影響。除此之外，在農作物的生產和種植中，還可以把傳感器安裝在農機具中，經過系統數據采集，檢測機具各種參數，從而優化農機產品某幾項參數，獲得較高的滿意度。比如在收割機上安裝物位傳感器，來控制農作物收割時的離地高度，為后序生產提供良好工作環境；再如，可以把磁傳感器安裝在聯合收割機上，來撿出混進谷物中的金屬雜質。

2.2 農產品加工檢測中的傳感器應用

智慧農業還體現在農產品的加工檢測中對各種傳感器的使用。普通的農產品都要做分類加工。比如按直徑大小對水果、蔬菜分選，需要用到差分變壓器式直徑分選裝置；在去除青果時，需要用到像眼睛功能的傳感器，從普通光電傳感器，再到復雜的圖像傳感器，都可以識別農產品中的雜質或是不是成熟體，然后反饋給系統做篩選。還有高精度圖像傳感器，可以對農產品表面的損傷和顏色進行識別，在此基礎上做好分類處理。比如油茶果選機，其就是使用了高清圖像傳感器，對油茶果果殼和籽進行圖像采集，從而完成油茶果的色選與分類。在農業檢測中，最近幾年使用了電子鼻檢測技術，使用氣敏傳感器識別氣味，以此實現對氣味的持續監測。電子鼻子是由傳感器陣列和識別系統構成，傳感器陣列上有很多氣敏傳感器，每個傳感器都能夠識別不同氣味。經過這種傳感器的使用，能檢測出農產品中殘留的農藥，還有不同水果的成熟度等。

3 智慧農業中應用無線傳感器網絡的具體案例分析

使用在智慧農業中的無線傳感器比較多，而不同的網絡組合方式也比較多，下面主要是以ZigBee 為例子，闡述ZigBee 無線傳感器網絡在智慧農業中的組網方式。

3.1 ZigBee組網技術

ZigBee 是介于無線標識與藍牙兩者之間的一種無線通信技術，其特點表現為成本低、功能消耗低、距離近以及容易運用等，其使用直接序列擴頻技術，將2.4GHz 作為核心頻段，在上千微小傳感器相互間彼此協調通信，經過無線電波采取接力的形式傳播數據。IEEE802.15.4 界定了以下設備：路由器與協調器、終端節點，這幾種硬件結構一樣，經過軟件匹配差異化的設備功能，1 個ZigBee 網絡是以1 個協調器與多個終端節點構成，可以支持65535 個節點。終端節點接著多種傳感器，把收集的數據無線傳輸到協調器，于空曠的地帶該傳輸距離為百米左右。倘使要增加網絡覆蓋范圍，需要在網絡中添加路由器從而達到信號中繼轉發，根據不一樣的應用環境，其支持多種網絡拓撲結構，而此次選擇采用星型網絡拓撲結構。

3.1.1 整體設計方案分析

ZigBee 無線傳感器網絡運用在智慧農業中的系統是以無線監測網絡以及控制中心構成的，很多分布在監測地區的無線傳感器網絡終端節點承擔監測溫濕度等農業信息，同時通過無線傳輸到網絡協調器，協調器把接到的數據以網關經過以太網傳遞到控制中心，而控制中心儲存與分析、處理數據以后，需要以專家決策系統進行反饋，借此建立出信息可控的收集、傳輸、處理、決策等程序的應用系統。

3.1.2 系統硬件電路

首先，無線通信模塊。現如今，比較常看到的ZigBee 無線通信處理方案就是ZigBee 芯片加MCU 處理方案以及單芯片處理方案。為了進一步將電路簡化，設計過程中選取后一種方案，CC2530 是以某企業推行的二代ZigBee 無線射頻芯片，其工作電壓范疇是2 到3V 左右，其集成了業界領先的RF 收發器與加強單周期8051 內核，支持系統進行在線編輯，傳感器可以經過單總線和CC2530 的I/O 相接。

其次，網關。網關的設計是為了達到以太網與無線傳感器網絡相互間協議與路由等功能，承擔把協調器采集的數據通過以太網傳遞至控制中心，并且還用來把控制中心指令傳遞至終端階段，工作較為復雜，接口電路復雜，同時要有健全的網絡協議棧加以支持，所以，在硬件選型中使用32 位微處理器為主要開發平臺，設計過程中采用核心板+底板硬件構成方案，充分滿足各種需求應用，僅需要添加功能底板中的接口電路。

最后是傳感器模塊的設計，其中有溫度傳感器，溫度傳感器可以使用比較先進的模塊，要能夠實現只需要一條I/O 線就可以和微處理進行雙向通信。這種傳感器可以直接用數字輸出的方式輸出檢測的溫度，測量溫度范圍通常是-55℃到125℃。在實踐操作中，這種芯片不需要任何外圍元件，能夠用數據線直接供應電能，供電電壓范圍是+3.0V 到+5.5V。此芯片還有很高的轉換速率，能夠進行上下限的報警。還有則是光敏電阻器，在ZigBee 系統中使用的是硫化鎘光敏電阻器，其對光照敏感性和人眼對可見光的反應程度比較接近，可以有效使用在溫室光照變化的監測中。

3.1.3 系統軟件的設計

設計系統軟件一般涵蓋了網關軟件與上位機界面、還有ZigBee 節點軟件這幾個部分，在這之中，網關軟件通常是依據AT91ARM9200 微處理器的ARM-Linux 軟件研制平臺的構建與數據串口收發設計。

首先，ZigBee 節點軟件主要是采用IAR 集成開發環境于ZStack-CC2530-2.3.0.1.4.0 協議棧進行的。該協議棧乃ZigBee 網絡協議集合，是以函數的方式表現的，同時提供給用戶應用層應用程序編程接口，僅僅需要在應用層函數里面添加傳感器進行函數讀取就能夠達到數據無線收發。協調器乃ZigBee 網絡的點，承擔網絡構建和維護，上電初始化以后，協調器選取1 個信道構建且偵聽網絡。如若終端節點設備申請網絡加入，協調器會給這一終端節點設備配置16 位的網絡地址，同時允許其網絡加入，組網完成，協調器接收來源于終端節點的數據，同時經過接口傳輸到網關。終端節點承擔把傳感器收集的數據，通過無線方法傳輸到協調器，當上電初始化以后，終端節點掃描信道，同時挑選1 個網絡加入，入網以后，處于休眠狀態，通過定時器根據時間間隔把其喚醒傳遞數據至協調器。其次，上位機軟件需要使用Visual C++6 進行開發，用來表示農作物生產環境監測數據，如若監測的環境數據超過了預先設定的值，那么需要開啟對應的設備調整環境參數。

3.2 實踐運用操作

將ZigBee 使用在智慧農業中，經過對設計方案的制定，進行硬件電路和軟件的安裝設計之后，就可將其使用在農業生產、種植等各個環節中。本文主要是以大棚監控系統為例，在設計監控系統時，可以經過傳感器自動采集智慧農業大棚中的數據信息，比如溫度、空氣質量、濕度以及光照等相關的數據。ZigBee 技術設備經過系統的運行將數據傳輸在計算機上，以便于計算機分析數據，然后下達控制智能大棚中每種設備的工作。計算機在獲得數據之后可以形成數據折線圖，把數據記錄實施輸入到后臺數據庫中，以此產生棚內和土壤環境的控制方案，最后經過計算機或是手機APP 實施調整方案，以此保障大棚中土壤環境可以符合農作物的生長需求。在實際工作中，ZigBee 技術設備網絡節點把數據信息傳輸到ZigBee 居于網絡數據中心，數據在這其中經過了匯總和簡單分析之后。使用GPRS 子系統或是無線網絡，配置相關的網絡地址，從而把數據記錄輸入事前設置的數據庫中。計算機或是手機APP 操作端可以依據后臺數據中心分析情況來調整數據，然后生成實際的控制各個階段控制器的方式。數據在無線網絡傳輸，最后達到ZigBee技術網絡設備。大棚和土壤數據信息需要提前設置好，然后讓相關的硬件設備進行數據采集。在其中可以使用中控芯片，連接方式主要是串口或是模擬串口。數據采集之后經過AD 轉換器把模擬信號轉換成為數據信息。

4 結束語

農業生產和無線傳感器網絡相融，能夠給精準農業與智慧農業等從概念朝著應用發展提供技術平臺，在智慧農業的種植和加工檢測、以及運輸等相關環節都起到了很大的作用。所以相關人員應當積極采用無線傳感器收集農作物生產信息，實時發現問題，在加工生產中監測農作物產品的質量，以此避免人工操作的盲目性，準確引導農業順利生產，提升農業產品質量與農業經濟效益，讓以人為核心的農業生產變成將信息技術作為核心的農業生產模式。