無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田溫濕度信息采集中的應(yīng)用

孫艷紅　麻曉夢

【摘 要】隨著世界農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已成為必然的發(fā)展趨勢，這在我國未來的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路上的重要?dú)v程。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開農(nóng)田環(huán)境信息及作物生長發(fā)育信息，而這些信息的量很大并且要有效、及時、準(zhǔn)確才可以。本文結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗將農(nóng)作物長期的生長周期內(nèi)的濕度、溫度等生長信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行采集，使農(nóng)業(yè)管理人員及時了解農(nóng)作物的生長環(huán)境，對生長環(huán)境及時做出調(diào)整，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)田溫濕度；信息采集；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)），主要由微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成（這些傳感器位于監(jiān)測區(qū)域，價格低廉），通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于協(xié)作地感知、采集及處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的感知對象的信息，最后發(fā)送給觀察者。在確定目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域中部署數(shù)量足夠多的具備計算和無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，根據(jù)實際需求制定任務(wù)，并燒寫在傳感器節(jié)點(diǎn)中。各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與傳輸是通過某種無線通信協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)來完成。

農(nóng)作物必須生長在適宜的環(huán)境下，才能使農(nóng)作物增產(chǎn)豐收。為了實現(xiàn)優(yōu)化生長環(huán)境的目的，需要隨時采集農(nóng)作物生長時期內(nèi)的環(huán)境信息，和所需的生長環(huán)境相對比。傳統(tǒng)上的信息采集還是有很多不足之處的，這在一些供電設(shè)施困難地區(qū)難以實施。并且在部署完成后無法根據(jù)實際情況做到靈活轉(zhuǎn)變。而這些問題利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)即可得到有效解決，不管是布線方面還是管理方面的實施都比傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)容易，且價格低廉。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)可任意分布，獲取信息也不受時間、地點(diǎn)和環(huán)境要求，這是因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變化，具有自我組織能力，所以才能在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)靈活分布，從而實現(xiàn)實時獲取大量可靠信息的愿望。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在今后的農(nóng)業(yè)發(fā)展中成為重要的發(fā)展趨勢。

1 農(nóng)田溫濕度信息采集系統(tǒng)的設(shè)計

無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集處理決策部分及分散用戶接收裝置等組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，部署下各個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使其數(shù)據(jù)的采集都能實現(xiàn)，通過自組織、多跳路由和無線通信方式將所收集的數(shù)據(jù)匯集到匯聚節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總、存儲和處理，最后由無線互聯(lián)網(wǎng)將信息傳送到終端用戶。

本系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)在設(shè)計時是以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)并結(jié)合農(nóng)田及環(huán)境信息需求而來。主要有以下三方面組成：

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)：對溫濕度數(shù)據(jù)的采集，需要大量的部署傳感器節(jié)點(diǎn)在所監(jiān)測區(qū)域內(nèi)來完成，通過ZigBee協(xié)議進(jìn)行互連形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）：負(fù)責(zé)處理由每個傳感器節(jié)點(diǎn)收集上來的數(shù)據(jù)信息。

（3）基站和終端用戶?；矩?fù)責(zé)接收、匯總、處理和分析網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理后的信息，最后將通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)給終端用戶，最終實現(xiàn)實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境溫濕度信息。

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，其物理層和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議一樣，都為IEEE802.15.4。ZigBee聯(lián)盟決定了應(yīng)用框架和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。應(yīng)用層開發(fā)空間較大，用戶可根據(jù)實際需求對其進(jìn)行開發(fā)。

ZigBee技術(shù)的自身特點(diǎn)決定它的較大優(yōu)勢在短距離無線通信領(lǐng)域。具有以下特點(diǎn)：

1.功耗低；2.延時短；3.速率低；4.距離近；5.成本低；6.容量大；7.安全性高；8.免執(zhí)照頻段。除了以上特點(diǎn)，由于ZigBee技術(shù)是以IEEE 802.15.4為基礎(chǔ)的，加上其功耗低的特性，所以還具備高節(jié)能性的特點(diǎn)。

協(xié)議，要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的實際情況來選擇合適的，這是至關(guān)重要的。每種協(xié)議都可適用于不同的應(yīng)用場合，其特性也各不相同，它們之間的關(guān)系是：通過不斷的互補(bǔ)、競爭，然后取長補(bǔ)短，共同發(fā)展。越來越快捷方便的通信方式大大滿足了人們對此的需求。而ZigBee協(xié)議是較適合農(nóng)田溫濕度信息采集系統(tǒng)中使用，這可根據(jù)農(nóng)作物生長環(huán)境的特點(diǎn)看出。

1.2 開發(fā)平臺及網(wǎng)絡(luò)組建

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺

英國Jennic公司的JN5139 EK 010開發(fā)套件作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建的硬件平臺。其中主要使用JN5139芯片，它是一款具備ZigBee功能的無線SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）。JN5139芯片具有高性能、低功耗、高靈敏度和ROM空間較大及通訊距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)?？捎糜诟鞣NZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件平臺

本次所設(shè)計的軟件主要由MCU程序和ZigBee協(xié)議棧等組成，通過對軟件的設(shè)計，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間所有的功能都得以實現(xiàn)。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型結(jié)構(gòu)、樹狀（簇）結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少需要一個FFD設(shè)備（全功能設(shè)備，可以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者工作，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行通信）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的功能。終端設(shè)備可以是RFD設(shè)備（精簡功能設(shè)備，只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為任何協(xié)調(diào)者，可和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者進(jìn)行通信，實現(xiàn)簡單）用來降低系統(tǒng)的成本。

2 系統(tǒng)測試與分析

2.1 正常環(huán)境條件下農(nóng)田的溫濕度采集

地點(diǎn)：玉米農(nóng)田

目的：在正常環(huán)境下采集玉米田中的溫濕度數(shù)據(jù)

步驟：將Mesh網(wǎng)絡(luò)組建好布置在玉米田中，將四個傳感器中的ZR1、ZR2部署在田中，ZE1、ZE2部署在農(nóng)田附件道路上。通過這種部署方案來采集玉米田內(nèi)部以及附近地區(qū)環(huán)境的濕度和溫度。

結(jié)論：日照充分時，農(nóng)作物降低其周邊環(huán)境溫度提高濕度，且減少溫濕度上的大幅波動和劇烈變化。通過以上得出，自然因素對農(nóng)田環(huán)境具有影響作用，同時，農(nóng)作物也在一定程度上影響著環(huán)境。

2.2 河南小麥田環(huán)境的溫濕度采集

地點(diǎn)：河南安陽躍進(jìn)農(nóng)場；

目的：采集小麥田環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)；

時間：以2010年2月10日8：00—2010年2月10日20：00（12個小時）為例；

步驟：將ZR1、ZR2、ZE1、ZE2四個傳感器節(jié)點(diǎn)分別布置在小麥田中四個位置采集數(shù)據(jù)，因當(dāng)天11點(diǎn)后出現(xiàn)降雪過程，具體測試出來的溫濕度結(jié)果如圖1：

（a）溫度數(shù)據(jù) （b）濕度數(shù)據(jù)

圖 1 小麥田的溫濕度采集

結(jié)論：通過上圖我們可看出，以上每個傳感器節(jié)點(diǎn)所獲取的溫濕度的數(shù)據(jù)基本上變化一致。11點(diǎn)后，溫濕度隨著降雪過程的出現(xiàn)發(fā)生了明顯變化，證明了系統(tǒng)的靈敏度較高。

3 結(jié)果與討論

該系統(tǒng)實現(xiàn)了農(nóng)田溫濕度信息的收集，平原氣候條件下的小麥田溫濕度采集，測試結(jié)果符合預(yù)期。在農(nóng)田環(huán)境中使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了溫濕度信息的實時采集。平原氣候條件下玉米田和小麥田的溫濕度采集，并且采集到的信息測試中通過串口接收到每個數(shù)據(jù)報的詳細(xì)信息。系統(tǒng)測試期時一直處于連續(xù)工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)收發(fā)穩(wěn)定，傳感器節(jié)點(diǎn)未出現(xiàn)失效或數(shù)據(jù)丟失情況。另外，為了實現(xiàn)更多信息的測量，可增加相應(yīng)的傳感器，但必須要在現(xiàn)有系統(tǒng)和設(shè)備基礎(chǔ)上。所以，對于環(huán)境監(jiān)測來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無疑是最好的監(jiān)測手段，不僅可以得到所監(jiān)測環(huán)境的實時、詳細(xì)的信息，還可人為設(shè)置測試頻率，不需值守。

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[責(zé)任編輯：湯靜]