空中農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李鑫 張黎黎 肖文 易金 劉文達(dá)

摘要：針對(duì)水稻生長(zhǎng)密集、環(huán)境復(fù)雜、種植面積大、難以實(shí)現(xiàn)人工入田信息采集等問題，基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建水稻環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用藍(lán)牙低能耗（BLE）通信以多旋翼無(wú)人機(jī)為中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組網(wǎng)來(lái)收集感知層數(shù)據(jù)，并且可以通過云服務(wù)器進(jìn)行匯集、可視化、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了大面積、遠(yuǎn)距離、低功耗的水稻生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，在同等條件下，使用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)收集方式相比，收集便捷、性價(jià)比高。該檢測(cè)系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單而且實(shí)用性高、成本較低、可靠性較好，能夠滿足稻田作物生長(zhǎng)生理性狀與產(chǎn)量關(guān)系環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的要求，可在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中智能化地采集到高分辨率的環(huán)境信息，采集節(jié)點(diǎn)單次使用壽命滿足水稻生長(zhǎng)周期要求，能夠有效提高農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理的現(xiàn)代化程度和普及程度。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙低功耗;多旋翼無(wú)人機(jī);智慧農(nóng)業(yè);自組網(wǎng);環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP274;S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2021）16-0200-04

“智慧農(nóng)業(yè)”是進(jìn)入21世紀(jì)的第2個(gè)10年，在新一代信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，結(jié)合當(dāng)前世界范圍內(nèi)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)和我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要，提出引領(lǐng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新理念。它是基于信息技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)田精耕細(xì)作技術(shù)[1-2]。快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)水稻生長(zhǎng)環(huán)境、長(zhǎng)勢(shì)狀況是作物栽培調(diào)控和生產(chǎn)管理的核心內(nèi)容，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理部門制定決策、施行措施的重要依據(jù)，及時(shí)獲取農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息是進(jìn)行現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理的重要基礎(chǔ)，這就需要有更快捷、準(zhǔn)確度更高、成本更低廉和多元化信息的支持[1]。進(jìn)行感知數(shù)據(jù)匯聚、處理通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)獲得的與農(nóng)田生產(chǎn)相關(guān)的客觀數(shù)據(jù)[2]。進(jìn)而借助生產(chǎn)管理人員的經(jīng)驗(yàn)和智慧來(lái)利用好客觀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出科學(xué)、節(jié)本、增效的管理決策，再通過精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行部署，從而獲得更高的綜合效益和穩(wěn)定性[3]。

多旋翼無(wú)人機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格相對(duì)低廉的特點(diǎn)，逐漸應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[4]。結(jié)合無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)提出一種適用于水稻田環(huán)境的空中農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可作為規(guī)模化與集約化農(nóng)業(yè)推動(dòng)節(jié)本、增效，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的示范實(shí)例。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于藍(lán)牙低能耗（BLE）技術(shù)的傳感網(wǎng)，主要分為主機(jī)和從機(jī)2個(gè)部分，整個(gè)系統(tǒng)是由抗高濕傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)人機(jī)（UAV）中繼器、云端平臺(tái)、移動(dòng)端組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

1.1 總體方案

抗高濕傳感器使用耐候性能較好的亞克力板作為外殼材料密封核心電路，使核心部分與外界完全隔離。對(duì)于傳感器部分的防濕處理，采取膠體密封管腳的方式，使它與外部隔離，而傳感器與主控部分連接的導(dǎo)線，采用熱縮管密封[6]。根據(jù)具體情況再在外殼內(nèi)加入適量的干燥劑來(lái)去除水汽（圖2）。

采用QAV-250小型四旋翼穿越機(jī)為平臺(tái)搭載主機(jī)通信裝置和SD（安全數(shù)碼）卡存儲(chǔ)模塊作為空

中網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接口。通過在稻田環(huán)境中接地飛行與田間數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[7]。它只承擔(dān)感知層數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā)，并在移動(dòng)過程中暫存這些數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)通過機(jī)載通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（GPRS）匯集至云服務(wù)器進(jìn)一步處理（圖3）[8]。

采用OneNET 平臺(tái)輔助分析中繼節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)（圖4），使用平臺(tái)配套APP（應(yīng)用程序）可定制相關(guān)應(yīng)用，方便實(shí)時(shí)查看（圖5）[9]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和接線方便，溫濕度采集使用單總線的DHT1 并采用DS18B20作為輔助溫度測(cè)量，

抗高濕傳感器如圖2。DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍極其寬泛（圖6）。

2.2 存儲(chǔ)模塊

從機(jī)采用EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)芯片用IIC（集成電路）總線方式和CC2541通信，主機(jī)用1G大小的SD卡存儲(chǔ)從機(jī)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。

2.3 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙主控芯片是TI的CC2541，此芯片是 2.4 GHz 符合低能耗規(guī)范和私有的RF片載系統(tǒng)。它支持250 kb/s、500 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s的數(shù)據(jù)速率，可同時(shí)掛載多個(gè)不同類型的傳感器模塊。

2.4 GPRS模塊

（1）主控芯片 CC2541 通過向GPRS模塊發(fā)送AT（指令）上傳數(shù)據(jù)AT+CIPSTART=“TCP”，“syau123.bj.bdysite.com”，“80”;AT+CIPSTART 建立連接;AT+CIPSEND。

（2）GPRS以POST方式發(fā)送數(shù)據(jù)[8]。數(shù)據(jù)采集以及無(wú)線通信和執(zhí)行控制都由CC2541實(shí)現(xiàn)。

需要注意的是 CC2541 芯片的工作電壓為 3.3 V，為實(shí)現(xiàn)電源的匹配須設(shè)計(jì)電源匹配電路完成 5.0 V 到3.3 V 的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)中為主機(jī)增加了升壓模塊，其電路如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 藍(lán)牙主機(jī)

傳感網(wǎng)主機(jī)采用基于OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）的CC2541片載系統(tǒng)[10]。系統(tǒng)開機(jī)初始化進(jìn)入搜索發(fā)現(xiàn)模式，搜索地面從機(jī)信號(hào)。設(shè)備發(fā)現(xiàn)完成后系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式，建立連接開啟數(shù)據(jù)鏈路接收數(shù)據(jù)，通過SPI（串行外設(shè)接口）通信存儲(chǔ)所收集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完成后由從機(jī)斷開連接，鏈路關(guān)閉，延遲等待300 ms重啟搜索發(fā)現(xiàn)模式并且屏蔽該設(shè)備地址避免重復(fù)接收。機(jī)載的GPRS可以將暫存在片載flash中的數(shù)據(jù)備份上傳至云服務(wù)器由OneNET平臺(tái)可定制應(yīng)用做可視化分析處理（圖8）。

3.2 藍(lán)牙從機(jī)

系統(tǒng)上電初始化進(jìn)入休眠模式開啟廣播，調(diào)用周期采集事件，等待主機(jī)進(jìn)入廣播范圍進(jìn)行連接，配對(duì)成功與主機(jī)建立連接，藍(lán)牙由廣播模式切換為數(shù)據(jù)傳輸模式，開啟數(shù)據(jù)鏈路上傳采集數(shù)據(jù)，已上傳數(shù)據(jù)等待被復(fù)寫。考慮到日常為日間作業(yè)，所以通過定時(shí)器周期喚醒系統(tǒng)節(jié)省電量（圖9）。

3.3 OneNET平臺(tái)

OneNET是由我國(guó)移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，平臺(tái)能夠幫助個(gè)人或企業(yè)快速部署設(shè)備，實(shí)現(xiàn)接入與連接，輕松完成產(chǎn)品開發(fā)部署，提供綜合性的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

OneNET平臺(tái)會(huì)提供設(shè)備全生命周期管理相關(guān)工具，它幫助開發(fā)者快速實(shí)現(xiàn)成規(guī)模的設(shè)備的云端管理;它具有開放的API（應(yīng)用程序編程接口）接口，推進(jìn)個(gè)性化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建（圖10）[11]。

4 測(cè)試分析

在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)道南試驗(yàn)田進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，共有9塊試驗(yàn)田，設(shè)置2個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，采集時(shí)間為2016年7月20—26日，采樣周期為100 s，使用無(wú)人機(jī)搭載主機(jī)，飛過節(jié)點(diǎn)上空接收數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在SD卡中，采集同一時(shí)間2個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度和濕度。由圖11、圖12可以看出，溫度和濕度曲線變化趨勢(shì)基本一致，并且2個(gè)節(jié)點(diǎn)所測(cè)2 000組溫濕度數(shù)據(jù)偏差不大，誤信率約為4%。通過器件數(shù)據(jù)手冊(cè)得到在理想條件下器件工作的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括不同工作狀態(tài)的工作電流、傳輸距離、傳輸速率。在完成整機(jī)裝配的情況下，由于地上采集節(jié)點(diǎn)需要聯(lián)網(wǎng)，所以會(huì)出現(xiàn)延遲等待（圖13），可以看出建立連接需要 1 600 s 延遲，斷開連接需要300 s延遲，數(shù)據(jù)延遲為10 s。在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)用多次測(cè)量取平均值的方法，測(cè)得系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)的工作電流如圖14所示，可知在采集狀態(tài)下工作電流偏差為1.4 mA，在接受狀態(tài)下偏差為1.8 mA，在發(fā)送狀態(tài)下偏差為 1.8 mA，在休眠狀態(tài)下偏差為0.544 mA。在最大功率下測(cè)得有效傳輸距離和在最大功率、不同距離下的平均傳輸速率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸速度如表1所示，可以看出實(shí)際傳輸距離為3.0 m，理論值為12.5 m，因?yàn)榇谁h(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在3.0 m以上，丟包率和錯(cuò)誤率較高，使準(zhǔn)確率較低。數(shù)據(jù)傳輸速度為 3.2 KB/s，理論上傳輸速度為 4.5 KB/s，偏差為1.3 KB/s。在實(shí)測(cè)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)溫濕度信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳輸穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期對(duì)于水稻環(huán)境監(jiān)測(cè)的目的。

5 結(jié)論

本研究從硬件和軟件2個(gè)方面介紹基于無(wú)人機(jī)中繼平臺(tái)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用多旋翼無(wú)人機(jī)作為中繼節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建水稻環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大面積、遠(yuǎn)距離、低功耗的水稻生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)。該設(shè)備將CC2541芯片作為主控，依托光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等模塊采集水稻田生長(zhǎng)環(huán)境信息，并處理、存儲(chǔ)、傳輸[12]。采用核心芯片與諸多傳感器分離的思想，有效地將作品核心部分遠(yuǎn)離高溫、高濕的環(huán)境。使用多個(gè)紐扣鋰電池供電，加之藍(lán)牙4.0自身的低功耗性質(zhì)，使其具有超長(zhǎng)的工作時(shí)間。同時(shí)，考慮到稻田區(qū)域分布分散，同時(shí)使用多架無(wú)人機(jī)時(shí)數(shù)據(jù)不易匯集的情況，為空中中繼節(jié)點(diǎn)添加了GPRS上傳數(shù)據(jù)匯集在云服務(wù)器上的功能。該監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)可以克服空間和距離限制，提高自組網(wǎng)靈活性，大幅度延伸傳感網(wǎng)覆蓋程度。

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