基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田土壤溫濕度檢測(cè)

【摘要】通過(guò)現(xiàn)代信息處理技術(shù)和現(xiàn)代傳感器技術(shù)，結(jié)合實(shí)際農(nóng)田環(huán)境因素，創(chuàng)造出的一種智能檢測(cè)系統(tǒng)稱作農(nóng)田土壤溫濕度智能檢測(cè)。本文研究分析了關(guān)于常規(guī)農(nóng)田環(huán)境溫濕度檢測(cè)的方法，根據(jù)電測(cè)法來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫濕度農(nóng)田環(huán)境智能檢測(cè)系統(tǒng)模式，以達(dá)到有效提高精細(xì)農(nóng)業(yè)的灌溉策略和時(shí)空差異性的目的。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器；網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)田土壤；溫濕度檢測(cè)

1.前言

要改善我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的耕作方法就要對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行改革，通過(guò)采用先進(jìn)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)方式對(duì)農(nóng)田種植進(jìn)行全面推廣，保證農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)與產(chǎn)量穩(wěn)步提升。采用優(yōu)秀先進(jìn)的現(xiàn)代化科技研究成果，有效地提升農(nóng)業(yè)種植的精確性，這樣的方法被稱為科學(xué)種田[1]?？茖W(xué)種田的主要特點(diǎn)包括精準(zhǔn)管理、精準(zhǔn)收獲、精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)播種等，所以要推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)科技進(jìn)行改革工作就要做好技術(shù)產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)和精確農(nóng)業(yè)技術(shù)機(jī)制的工作。要著力于這方面的開(kāi)發(fā)，既要具備寬闊的市場(chǎng)前景，又要擁有長(zhǎng)久的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，特別是要推廣和研究農(nóng)田土壤溫濕度智能檢測(cè)的方法，這對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用未來(lái)的水資源具有重要的意義。

2.一般農(nóng)田土壤溫濕度檢測(cè)方法

因?yàn)橄鄬?duì)于其他環(huán)境結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，農(nóng)田土壤環(huán)境具有復(fù)雜性，它的化學(xué)成分和物理性質(zhì)存在不均一的特性，同時(shí)耕種植被對(duì)其也有一定影響，從而導(dǎo)致土壤中溫濕度、水分含量的水平分布和垂直梯度產(chǎn)生差異性，所以要采用多點(diǎn)分布和分層測(cè)定的方式來(lái)測(cè)定土壤環(huán)境的溫濕度，還要做好周期性測(cè)定工作來(lái)掌握土壤溫濕度與時(shí)間變化的存在規(guī)律。以下三種檢測(cè)土壤溫濕度的方法是一般人們常用的方法。

（1）直接測(cè)定法：

①分離土壤固體部分和水分的方法稱作土壤濕度檢測(cè)，這種方法還包括酒精法和重烘干法，它具有簡(jiǎn)單、直接的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是由于人工取土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究而造成勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)定過(guò)程復(fù)雜等。

②直接采用溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，這種方法具有直觀、方便理解的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是無(wú)法保障其精度性。

（2）GPS田間定位法和遙感法：

當(dāng)采用這兩種方法時(shí)，要把土壤樣品運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行研究分析工作，它只能研究某一段時(shí)間內(nèi)土壤的溫濕度，無(wú)法達(dá)到連續(xù)檢測(cè)的目的。

（3）間接測(cè)定法：

測(cè)定土壤中氣體體積或物理參數(shù)和水分含量的方法，電測(cè)法常用于這種方法中，它主要通過(guò)土壤溶液導(dǎo)電性和土壤水分的相關(guān)聯(lián)系來(lái)對(duì)土壤濕度進(jìn)行測(cè)定；或者通過(guò)流經(jīng)熱敏電阻的電流和土壤濕度變化的聯(lián)系來(lái)測(cè)定土壤溫度[2]。電測(cè)法不僅操作方便，而且設(shè)備價(jià)格低廉，同時(shí)可以進(jìn)行連續(xù)定點(diǎn)測(cè)試。缺點(diǎn)是精度較低，在高溫條件下容易產(chǎn)生失準(zhǔn)現(xiàn)象，而且在測(cè)定時(shí)需要人工進(jìn)行觀察，造成布點(diǎn)量減少。

3.采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)

在采用電測(cè)法對(duì)農(nóng)田土壤溫濕度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，結(jié)合了現(xiàn)代溫濕度傳感技術(shù)，這種檢測(cè)方法不僅擁有客觀性，人為因素對(duì)其造成的原因少，而且還具有可重復(fù)性，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測(cè)定。同時(shí)這種方法與現(xiàn)代通訊技術(shù)和電子技術(shù)有著密切聯(lián)系，可以通過(guò)自動(dòng)化檢測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)田耕種的前提條件。所以，人們要改革創(chuàng)新電測(cè)技術(shù)，把傳統(tǒng)電測(cè)法中運(yùn)用的溫濕度傳感器調(diào)換成擁有先進(jìn)信息加工、采集、傳遞一體化的無(wú)線智能傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線傳感技術(shù)和ZigBee技術(shù)來(lái)進(jìn)行多處布點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)全面的土壤溫濕度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能檢測(cè)系統(tǒng)。

3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的簡(jiǎn)介

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由無(wú)中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的全范圍分布系統(tǒng)，它采用隨機(jī)投放的方法，在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)密集部署所有的傳感器節(jié)點(diǎn)。這些傳感器節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)處理單元、通信模塊、傳感器，它們以無(wú)線信道為連接點(diǎn)，進(jìn)行自由相連從而組成了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)利用自身內(nèi)置的多形式傳感器，檢測(cè)周圍環(huán)境產(chǎn)生的紅外聲納、熱量、移動(dòng)物體的速度、大小、方向等人們所需的物理現(xiàn)象[3]。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)良好的協(xié)作能力運(yùn)用局部交換數(shù)據(jù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)全局任務(wù)。流經(jīng)網(wǎng)關(guān)，傳感器網(wǎng)絡(luò)還能夠與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備連接上，最終把收集到的信號(hào)供遠(yuǎn)程終端傳回使用。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)包括自組織、分布式、多跳路由、拓?fù)渥兓?、?dòng)態(tài)性強(qiáng)等，因?yàn)槠鋼碛羞@些多方位的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛運(yùn)用到醫(yī)療、軍事、工業(yè)、家庭等領(lǐng)域。

3.2 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種先進(jìn)的低功耗、近距離、低復(fù)雜度、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它主要在不需要注冊(cè)的2.4GHzISM頻段進(jìn)行工作，以IEEE802.15.4為基礎(chǔ)的ZigBee傳輸范圍在10-75m之間，這是一項(xiàng)被稱為IEEE802.15.4（ZigBee）的IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]。它的優(yōu)點(diǎn)有低成本、低功耗、信息安全、網(wǎng)絡(luò)容量大等，同時(shí)存在典型的傳輸數(shù)據(jù)類型，主要包括重復(fù)性低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)、周期性數(shù)據(jù)。

3.3 農(nóng)田土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)模型

農(nóng)田環(huán)境信息智能檢測(cè)系統(tǒng)模型主要核心部分是無(wú)限傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和ZigBee無(wú)線收發(fā)技術(shù)。通過(guò)無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞和收集農(nóng)田環(huán)境信息，結(jié)合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究分析所采集的數(shù)據(jù)，最終達(dá)到科學(xué)耕作的目的。

3.3.1 分析系統(tǒng)需求

在創(chuàng)建檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，要仔細(xì)、綜合的研究農(nóng)田環(huán)境的特點(diǎn)和所需要求，有效運(yùn)用其自身優(yōu)點(diǎn)，防止運(yùn)用其缺點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)存在的特點(diǎn)有通過(guò)利用環(huán)境的可知性，得知農(nóng)作物的固定生育周期，利用環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化性，開(kāi)發(fā)充足的太陽(yáng)能資源等。此外，在系統(tǒng)模型建立時(shí)還需要認(rèn)真考慮的條件，包括任何農(nóng)業(yè)機(jī)械的田間作業(yè)和各種天氣條件以及家禽的活動(dòng)。

3.3.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型

通過(guò)研究分析以上應(yīng)用特質(zhì)，汲取國(guó)外研究分析的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果，創(chuàng)建先進(jìn)的農(nóng)田土壤溫濕度智能系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)。由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心和無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)再通過(guò)位于農(nóng)田中的多個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，進(jìn)行收集土壤水分，并記錄溫度參數(shù)，以構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)的ZigBee無(wú)線通信協(xié)議。所有節(jié)點(diǎn)參數(shù)最后傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，可以把太陽(yáng)能電池板運(yùn)用到檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)供電的所有節(jié)點(diǎn)中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心主要負(fù)責(zé)分析、接收、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

一臺(tái)具有固定公網(wǎng)IP地址的計(jì)算機(jī)可以作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，其中采用的基站數(shù)據(jù)管理軟件功能包括：達(dá)成數(shù)據(jù)的分析、儲(chǔ)存、決策、接收，從而完成對(duì)應(yīng)的控制過(guò)程。它的技能板塊包括數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊，數(shù)據(jù)接收模塊，監(jiān)測(cè)量空間變異分析模塊，檢測(cè)量時(shí)間變化分析模塊，還可以設(shè)置操控其它農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行模塊。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，要實(shí)現(xiàn)科學(xué)耕作必須開(kāi)發(fā)先進(jìn)的農(nóng)田環(huán)境智能檢測(cè)技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)電測(cè)法進(jìn)行描述，結(jié)合先進(jìn)的ZigBee技術(shù)和無(wú)線傳感器技術(shù)進(jìn)行調(diào)試修改，創(chuàng)建出有效的農(nóng)田土壤溫濕度信息智能檢測(cè)模型，從而進(jìn)一步提升農(nóng)田環(huán)境信息智能檢測(cè)技術(shù)，最終達(dá)到科學(xué)耕作、精細(xì)種植的重要目的。

參考文獻(xiàn)

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