基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的渭南智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

朱創(chuàng)錄

（1.渭南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西渭南 714099；2.渭南市智慧城市工程技術(shù)研究中心，陜西渭南 714099）

【信息科學(xué)與工程研究】

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的渭南智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

朱創(chuàng)錄1，2

（1.渭南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西渭南 714099；2.渭南市智慧城市工程技術(shù)研究中心，陜西渭南 714099）

針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)地理位置分布較廣，精細(xì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用具有作物類型與地勢(shì)多樣、受干擾因素多等特點(diǎn)，為了建設(shè)具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的智慧農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)，必須解決無限傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗、節(jié)點(diǎn)通信效率等問題，通過對(duì)面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，結(jié)合渭南市智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的渭南智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際通信效果.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；農(nóng)業(yè)應(yīng)用；智慧農(nóng)業(yè)

渭南市是陜西省主要農(nóng)業(yè)城市，是西安市的菜園子、果園子，該地地域遼闊、地形復(fù)雜、氣候多變，正因如此，如何在有限的農(nóng)田資源基礎(chǔ)上，借助先進(jìn)的科技手段提高農(nóng)田的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益已經(jīng)成為亟待解決的問題.目前，以現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)融合為特點(diǎn)的“農(nóng)業(yè)”技術(shù)成為解決以上問題的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，其核心是利用信息技術(shù)精確、及時(shí)地獲取地塊中每個(gè)小區(qū)土壤、環(huán)境與作物的信息，診斷作物的長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量在空間上差異的原因，并對(duì)每個(gè)小區(qū)作出決策，準(zhǔn)確地在每個(gè)小區(qū)上記性灌溉、施肥、噴藥等，以達(dá)到最大限度提高水、肥等的利用率，增加產(chǎn)量，減少環(huán)境污染.

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)（WMSNs）是20世紀(jì)發(fā)展起來的一種無線自組織網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，因此，智慧農(nóng)業(yè)解決方案集先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺(tái)、新興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感節(jié)點(diǎn)（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等）和無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警、智能決策、智能分析、智能控制等［1］，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化種植、可視化管理、智能化決策平臺(tái).

1 基于光載無線交換技術(shù)的渭南智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)包括：物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺(tái)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、生產(chǎn)追溯系統(tǒng)、遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)等.基于物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

在農(nóng)業(yè)大棚部署各種用途的傳感設(shè)備，如溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、土壤水分傳感器等，采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的各種參數(shù)［2］.傳感設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)（ZigBee）等傳輸給中間層WiFi／無線傳感網(wǎng)關(guān)，WiFi／無線傳感網(wǎng)關(guān)將采集到的信息進(jìn)行過濾、分組、關(guān)聯(lián)、聚合等操作，形成TCP／IP數(shù)據(jù)包，通過物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺(tái)及有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)中心［3-4］；數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分類，保存在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，并根據(jù)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)對(duì)各類控制設(shè)備實(shí)施控制，達(dá)到對(duì)溫濕度、光照、土壤水分、土壤肥力、環(huán)境通風(fēng)的智能控制；數(shù)據(jù)中心將各類數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布出去，提供本地、遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)訪問及設(shè)備控制，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程；數(shù)據(jù)中心還將農(nóng)作物生長(zhǎng)及生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)分類保存，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的安全追溯及產(chǎn)品生產(chǎn)過程的追溯.

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

基于物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)核心部分是數(shù)據(jù)的采集以及在復(fù)雜環(huán)境下的傳輸問題.其中，信息采集系統(tǒng)采用傳感器采集土壤信息，包括土壤水分含量和溫度［5-6］.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee協(xié)議采用CC2430無線收發(fā)模塊收集土壤信息，并采用nRF905無線芯片采集和傳輸信息.

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法.地上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示.無線傳感器采用nRF905無線射頻芯片代替CC2430芯片.每個(gè)節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成.

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ).一個(gè)好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)考慮具體的應(yīng)用，有一個(gè)簡(jiǎn)單的、可靠的和有效的實(shí)施方案.所提出的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合地上和地下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于地面40 cm以上的高度，無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于地面40 cm以下的深度.無線傳感器接收節(jié)點(diǎn)是在地面上的.無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴慕邮展?jié)點(diǎn)，從而更好地隱藏網(wǎng)絡(luò)［7］.一個(gè)無線地下傳感器節(jié)點(diǎn)的位置取決于具體應(yīng)用.它可以位于同一深度、不同的深度或不同的層.接收節(jié)點(diǎn)可以是固定的或可移動(dòng)的，但必須保持在通信范圍內(nèi).拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 部署和節(jié)點(diǎn)的連接

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤含水量，信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)是埋在土壤下面的耕作層.混合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳感器的部署如圖4.

圖4 混合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署

對(duì)獨(dú)特的信道特性和無線傳感器異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的連通性分析.特別是有三條基于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位置的通信信道，地上對(duì)地下、地下對(duì)地上、地下對(duì)地下［8］.

如圖5所示，一個(gè)無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在傳感區(qū)域的地下傳感、設(shè)置在感應(yīng)場(chǎng)周圍的固定地面數(shù)據(jù)接收器以及由人或機(jī)器扮演的數(shù)據(jù)移動(dòng)接收器組成.

圖5 無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)部署

3 分析及結(jié)論

由于在農(nóng)業(yè)中會(huì)遇到不同的地形和環(huán)境條件，所以需要一個(gè)適應(yīng)環(huán)境的永久性無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案.無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是快速準(zhǔn)確地提供不同深度土壤含水量的信息.本研究提供了一些關(guān)于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的部署技術(shù)細(xì)節(jié).當(dāng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)被埋時(shí)，有兩種方式實(shí)現(xiàn)電磁波信號(hào)傳播：一是通過土壤直接滲透，另一種是無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信.

通過無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的建模、設(shè)計(jì)、測(cè)試，研究土壤參數(shù)、節(jié)點(diǎn)深度、信號(hào)頻率對(duì)傳輸過程中信號(hào)衰減的影響.預(yù)計(jì)此信息將對(duì)無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展有很大的幫助.當(dāng)無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送土壤信息時(shí)，反射、散射和衍射可能同時(shí)發(fā)生在土壤和土壤與空氣之間的界面中.電磁波信號(hào)頻率受此影響.此外，農(nóng)業(yè)環(huán)境不斷變化，土壤水分的含量對(duì)路徑損耗有顯著的影響.當(dāng)要部署地下傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，其深度必須既經(jīng)濟(jì)又最大限度地減少信號(hào)的路徑損耗.

peplinski原則定義一種電磁波在土壤中復(fù)雜的傳播常數(shù)γ=α+Jβ，ω=2πF是角頻率，μ是磁導(dǎo)率，ε′和ε″分別是介電常數(shù)的實(shí)部和虛部，見公式（1）.

從式（1）得出，電磁波在土壤中復(fù)雜的傳播常數(shù)取決于頻率、土壤的粘土礦物、堆積密度、砂和土壤體積水含量.因此，路徑損耗也取決于這些參數(shù).

在實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)土壤的成分是15%的粘土，35%的淤泥，50%的砂顆粒.堆積密度為1.5 g／cm3，固體土粒密度2.6 g／cm3.并使用三個(gè)不同頻率的射頻模塊nRF905.信號(hào)強(qiáng)度的衰減和誤比特率在不同土壤體積含水量（vwcs）5%、10%、15%、20%和25%中測(cè)量.每個(gè)頻率的路徑損耗在無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)不同部署深度（H）：0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8和2 m中測(cè)量.

路徑損耗是接收信號(hào)強(qiáng)度與源信號(hào)強(qiáng)度相比的衰減，是反映無線電磁信號(hào)傳輸?shù)男?用matlab探討路徑損耗和參數(shù)如工作頻率、節(jié)點(diǎn)的部署深度、體積水含量之間的關(guān)系.圖6顯示了不同頻率信號(hào)的路徑損耗與土壤水分含量的函數(shù)關(guān)系，圖7顯示了無線信號(hào)誤碼率與土壤水分含量的函數(shù)關(guān)系.

圖6 不同頻率信號(hào)路徑損耗與土壤水分含量關(guān)系

圖7 無線信號(hào)誤碼率與土壤水分含量關(guān)系

這些結(jié)果表明：

（1）目前正在研究無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)采集土壤中的環(huán)境信息.擁有嵌入式處理器的地下傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行收集、傳輸、存儲(chǔ)和顯示土壤特性參數(shù).節(jié)點(diǎn)滿足低功耗低成本和高可靠性的要求，能提供實(shí)時(shí)土壤性能監(jiān)測(cè).

（2）路徑損耗和無線電信號(hào)誤碼率的測(cè)定是通過三個(gè)射頻功能模塊的體積含水量函數(shù)，每一個(gè)都有不同的載波頻率.結(jié)果表明，土壤衰減和比特錯(cuò)誤率最小為在低含水量土壤中傳輸?shù)牡皖l信號(hào).

（3）在433 MHz的頻率下，路徑損耗受無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署深度的影響.結(jié)果表明，可以選擇合適的深度實(shí)現(xiàn)最小化的信號(hào)衰減.

（4）與人工監(jiān)測(cè)土壤性質(zhì)相比較，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了更好的實(shí)時(shí)土壤性質(zhì)監(jiān)測(cè)，是節(jié)水農(nóng)業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ).

［1］邢偉偉，白瑞林.IEEE 1588時(shí)間同步在ZigBee低功耗中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2012，33（11）：256-262.

［2］韋佳，何磊，顧曉峰，等.ZigBee無線多區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2012，33（11）：89-92.

［3］周益明.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室群監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.56-78.

［4］杜治高，王玉斌，冒亞明，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的油庫(kù)安全管理信息系統(tǒng)研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（22）：7-9.

［5］王偉.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.87-99.

［6］李玉凱.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高能效可靠數(shù)據(jù)傳輸理論及應(yīng)用研究［D］.北京：華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.12-26.

［7］陶為戈，朱昳華，錢志文，等.基于ZigBee有源電子標(biāo)簽和Internet的區(qū)域定位系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（23）：61 -63.

［8］朱創(chuàng)錄.SNMP管理模型下的網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)視與控制［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，23（8）：223-226.

【責(zé)任編輯 牛懷崗】

Research on Weinan Wisdom Agriculture Platform Based on the ZigBee Network

ZHU Chuang-lu1，2
（1.School of Mathematics and Information Sciences，Weinan Normal University，Weinan 714099，China；2.Weinan Wisdom City Engineering Technology Research Center，Weinan 714099，China）

Agricultural facilities location has the features，such as，a wide distribution，fine agriculture application with crop types and diverse topography，many disturbance factors.In order to build the strong environment adaptability intelligent agricultural information platform，some problems about wireless sensor network node power consumption，efficiency of node communication must be solved.Based on wireless sensor network for precision agriculture research in the form of organizational structure and networking，which is adaptive to the application environment of Weinan wisdom agriculture，Weinan wisdom agriculture platform is designed upon the ZigBee network and it proves the practical communication effect of wireless sensor network through the simulation experiment.

wireless sensor network；ZigBee；agriculture application；wisdom agriculture

TP399

A

1009-5128（2014）19-0039-05

我校張修興博士獲第56批博士后基金資助

2014-06-22

陜西省教育廳科研專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目：無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)博弈路由算法研究（2013JK1085）；渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目：智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)下的食品安全智能移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)（14YKS005）

朱創(chuàng)錄（1977—），男，陜西興平人，渭南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院副教授，工學(xué)碩士，主要從事智慧城市平臺(tái)及語(yǔ)義Web研究.

2014年9月11日，中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)公布了中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助第56批獲得資助人員名單，其中我校物理與電氣工程學(xué)院副教授張修興博士的“非平衡自旋系統(tǒng)量子失協(xié)研究（編號(hào)2014M562387）”獲得二等資助，資助金額5萬元.