無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用

郭 婷

（北京郵電大學(xué) 測控技術(shù)與儀器專業(yè)，北京 100876）

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)，是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)，能協(xié)作地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域的各種環(huán)境或監(jiān)測對(duì)象的信息(如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。觀察者通過獲取的信息進(jìn)行操作，或者直接通過設(shè)置使其智能完成任務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

（1）總體分析。運(yùn)用“傳感器節(jié)點(diǎn)及部署+系統(tǒng)軟件+軟件協(xié)議及數(shù)據(jù)處理”三級(jí)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，在測量控制區(qū)，采用不同的傳感器節(jié)點(diǎn)和具有簡單執(zhí)行器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。田地自動(dòng)灌溉系統(tǒng)通過節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)地采集分散于田間的多個(gè)不同地方的土壤濕度、溫度、光照等參數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)太陽能電池對(duì)節(jié)點(diǎn)供電，并通過系統(tǒng)處理得到其平均值，并將天氣預(yù)報(bào)，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)中的天氣情況，以及植物的所處的生育期跟采集的參數(shù)相結(jié)合通過系統(tǒng)分析從而自動(dòng)控制其灌溉量，并建立數(shù)據(jù)庫保存其溫度，土地濕度和光照，以利于多年的對(duì)比，也實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存，利于生長情況科學(xué)分析，同時(shí)建立友好的界面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)任何人都能對(duì)其進(jìn)行操作。

（2）節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)中最重要組成部分，由于應(yīng)用的范圍不同，傳感器節(jié)點(diǎn)也略有不同，但基本單元的組成是一致的，有傳感器模塊(傳感器以及相關(guān)信號(hào)調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換等)、處理器模塊(CUP、嵌入式操作系統(tǒng)、存儲(chǔ)器)、通信模塊以及能量供應(yīng)模塊。系統(tǒng)可采用GAINSJ-JN5139節(jié)點(diǎn)I/O擴(kuò)展端口外接傳感器采集濕度，溫度和光強(qiáng)信號(hào)。

（3）處理器模塊。由于傳器結(jié)點(diǎn)使用電池供電而且必須長期在野外工作，所以在選處理器模塊時(shí)低功耗是一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)。而JN5139模塊適用于IEEE802.15.4和Zig Bee的軟件應(yīng)用。芯片集成了一個(gè)32位RISC處理器，可充分兼容2.4GHZIEEE802.15.4收發(fā)器。并且整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用Zig Bee解決方案。

（4）傳感器模塊。溫度的測量采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。DS1820直接輸出數(shù)字量到從節(jié)點(diǎn)，期間不需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換處理，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制方式發(fā)送到電腦主端后還原成十進(jìn)制數(shù)與設(shè)定值做比較，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的雙向通信。光強(qiáng)的測量采用小型光電池感應(yīng)光強(qiáng)，測得的電壓經(jīng)過放大處理傳送到GAINSJ模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再傳送到電腦進(jìn)行處理。土壤的濕度使用濕度傳感器SHT10測量，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制方式發(fā)送到電腦主端后還原成十進(jìn)制數(shù)與設(shè)定值做比較，綜合光強(qiáng)，溫度控制灌溉的量。

（5）硬件支持部分。如圖1所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)提供5 V開關(guān)電壓，繼電器導(dǎo)通，使電壓加載在電磁閥上，電磁閥開啟。當(dāng)節(jié)點(diǎn)撤去5 V電壓時(shí)，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。考慮到大部分時(shí)間不需要出水灌溉，所以選擇常閉型電磁閥作為本系統(tǒng)的閥門。由于節(jié)點(diǎn)IO的電流不足以驅(qū)動(dòng)繼電器工作，而且繼電器內(nèi)的線圈在斷電后會(huì)產(chǎn)生較大的電流，可能引起電流倒灌，燒壞節(jié)點(diǎn)單片機(jī)，因此，需要為繼電器搭建一個(gè)簡單的外圍驅(qū)動(dòng)電路才能正常工作。具體電路圖如下圖所示。

圖1 傳感器電路圖

（6）系統(tǒng)的軟件支持部分。建立個(gè)人計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)用戶操作界面，采用V.C.6.0實(shí)現(xiàn)界面取代外接的鍵盤、顯示器等輸出設(shè)備，在實(shí)時(shí)顯示影響植物生長的各個(gè)參數(shù)值的同時(shí)自動(dòng)選擇合適的條件灌溉，更為直觀和人性化；1 wsn的數(shù)據(jù)庫模型采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型，DBMS的結(jié)構(gòu)采用集中式分布結(jié)構(gòu)或半分布結(jié)構(gòu)。集中式分布結(jié)構(gòu)；各個(gè)從節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)不做任何數(shù)據(jù)處理而是直接將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)中的數(shù)據(jù)庫里，雖然這樣可以節(jié)省節(jié)點(diǎn)能源，用c++等高級(jí)語言設(shè)計(jì)用戶界面，同時(shí)用嵌入式SQL語句，建立數(shù)據(jù)庫，以及相應(yīng)屬性，并用高級(jí)語言獲得從節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫的元組插入數(shù)據(jù)庫中，這里要注意各個(gè)從節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間上傳采集數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)每隔相同時(shí)間收集數(shù)據(jù)并上傳，用戶的界面再數(shù)據(jù)庫編程時(shí)要設(shè)計(jì)每隔相同時(shí)間更新數(shù)據(jù)庫，這樣便完成對(duì)于各個(gè)從節(jié)點(diǎn)所在地的信息的實(shí)時(shí)掌控檢測。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可任意散落在被檢測區(qū)域內(nèi)，以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)與主機(jī)通信通過Zig Bee技術(shù)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)系統(tǒng)亦可人工控制是灌溉行為，在自動(dòng)灌溉開啟的情況下，當(dāng)濕度高于設(shè)定值時(shí)不進(jìn)行灌溉；當(dāng)濕度低于設(shè)定值且溫度亦低于設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)灌溉，當(dāng)溫度低于設(shè)定值，但溫度高于設(shè)定值時(shí)，則只有在有強(qiáng)光低于設(shè)定值才澆灌。在自動(dòng)關(guān)閉的情形下，值可用人工控制。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳感器系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 結(jié)語

此自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)能夠通過對(duì)田間的田間溫度，濕度和光照強(qiáng)度采集，以及系統(tǒng)對(duì)作物的生育期的判別相結(jié)合正確的分析出控制灌水時(shí)間、灌水量和灌溉周期，而人的工作僅僅是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。而且界面上能顯示即時(shí)額溫度，濕度和光照強(qiáng)度的平均值。并能手動(dòng)對(duì)灌溉系統(tǒng)實(shí)行控制。并且數(shù)據(jù)庫能保存所有的溫度，濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，為以后天氣條件分析提供精確數(shù)據(jù)。同時(shí)節(jié)點(diǎn)采用太陽能來節(jié)能，避免要經(jīng)常為節(jié)點(diǎn)換能源。田間通過采用自動(dòng)灌溉系統(tǒng)能提高水的有效利用率，又能節(jié)省人力，同時(shí)也提高作物的產(chǎn)量，可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效果，并且很好的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，將歷史的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，為未來分析提供條件。

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