無線傳感器在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

戴振華

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無線傳感器在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

戴振華

(湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199)

智能控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較少，無線傳感器應(yīng)用到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺中就更少了。項目設(shè)計了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對大棚內(nèi)的溫度、濕度和光照進行實時分析檢測，通過 CFD 數(shù)值模擬的方式，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到控制中心，從而實現(xiàn)溫度、濕度和光照自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的可視化動態(tài)控制，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理改革提供一定的參考。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)業(yè)；信息化

0　引　言

無線傳感器在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用具體來講就是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理、經(jīng)營和服務(wù)中應(yīng)用到了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是用多種傳感器設(shè)備采集生產(chǎn)過程、動植物本體以及農(nóng)產(chǎn)品物流等等相關(guān)信息，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，對獲取的農(nóng)業(yè)信息進行分析處理，然后依據(jù)分析結(jié)果實現(xiàn)智能化操作管理，從而實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程監(jiān)控、實時信息服務(wù)和科學(xué)合理決策。

光照、溫度和濕度等條件都影響農(nóng)作物的生長。一般來講，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流通個環(huán)節(jié)中，這些數(shù)據(jù)采集任務(wù)很重，而每次都現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)不利于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，利用網(wǎng)絡(luò)很好地解決了該問題，它可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，從而實時了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。不過，如果將農(nóng)業(yè)現(xiàn)場中的各種數(shù)據(jù)通過有線網(wǎng)絡(luò)來進行傳輸，重要的一點是不便于耕作，實現(xiàn)成本也較高，另一方面維護起來也比較困難。

近年來，農(nóng)業(yè)行業(yè)與信息化的深度融合，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化取得了重要進展，而且體現(xiàn)了我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。而應(yīng)用成本低、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于數(shù)據(jù)傳輸距離遠等特點已經(jīng)在很多工業(yè)生產(chǎn)過程得到了應(yīng)用。但是，將它應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中尚不多見。文章給出基于GPRS 技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN) 的遠程農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)。

1　無線傳感器農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺體系結(jié)構(gòu)

項目中運用的無線傳感器農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是由若干個節(jié)點傳感器和一個起協(xié)調(diào)作用的設(shè)備組成，節(jié)點傳感器是可以用來采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的濕度、光和溫度數(shù)據(jù)傳感器。節(jié)點傳感器上的傳感器根據(jù)采集命令進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)采集，設(shè)備采集到的農(nóng)業(yè)要素數(shù)據(jù)后，對農(nóng)業(yè)要素數(shù)據(jù)進行打包，然后將農(nóng)業(yè)要素發(fā)給中心設(shè)備協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器解包農(nóng)業(yè)要素數(shù)據(jù)包，形成多個簡化功能設(shè)備原始數(shù)據(jù)，為了數(shù)據(jù)的有效傳輸，通常對數(shù)據(jù)進行融合。在該平臺中，GPRS與協(xié)調(diào)器通過串口線直接將數(shù)據(jù)傳給GPRS定位通信模塊，GPRS定位功能模塊首先對傳輸過來的數(shù)據(jù)進行融合，然后對融合處理過的數(shù)據(jù)進行再處理，形成能適應(yīng)于GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸要求的格式，然后進行傳輸，通過有效的GPRS網(wǎng)絡(luò)連接互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程遠程的PC終端上實時監(jiān)測。這樣，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS技術(shù)的結(jié)合形成的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，既體現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方便廉價傳感器節(jié)點部署的特點，又有效利用了GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的范圍得到了擴展，這樣一來，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺農(nóng)業(yè)要素很好地進行了傳輸和處理[1]?？傮w上說，系統(tǒng)平臺運行總體方案可以用結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1.無線傳感器農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺運行總體方案

2　基于無線傳感器農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計

文章是根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)過程的實際要求，提出了一種無線傳感器農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，該平臺是基于 ZigBee 技術(shù)，能夠?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中各環(huán)境參數(shù)監(jiān)測并自動化管理的系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)綜合運用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，長距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等等，對于在工業(yè)應(yīng)用中產(chǎn)生的功耗成本、通信距離短以及系統(tǒng)穩(wěn)定性較差等諸多問題，很好地得到了解決。

2.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)計需求

文章主要任務(wù)就是設(shè)計出一種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中各種環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所需的要素的實際，我們在構(gòu)建該類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素傳感器平臺時，主要是基于如下設(shè)計要點[2]：

（1）網(wǎng)絡(luò)平臺傳感器節(jié)點體積精細化的要求

實際系統(tǒng)中，我們所設(shè)計的ZigBee節(jié)點必須滿足體積較小的特點，以便于在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場大量布置，這樣不僅可以更全面的獲取信息，而且對網(wǎng)絡(luò)的重組和移動顯得更加方便。

（2）光照、溫度、濕度等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素測量要求

根據(jù)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)要素信息化系統(tǒng)的要求，我們設(shè)計的項目應(yīng)能實時準(zhǔn)確地獲取到農(nóng)業(yè)要素如：光照、溫度、濕度等信息，只有實時獲得了這些農(nóng)業(yè)信息，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者才能根據(jù)農(nóng)作物生長的光照、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)采取必要的措施。

（3）穩(wěn)定性對于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺來講也顯得相當(dāng)重要

一般來說，我們設(shè)計節(jié)點時，考慮到比較復(fù)雜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境時，都會對節(jié)點的穩(wěn)定性提出必然的要求。為了保證各個硬件組成部分能在復(fù)雜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境能正常工作，我們設(shè)計節(jié)點時充分考慮了這一點，系統(tǒng)完成后，我們還特意測試了復(fù)雜的環(huán)境農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中要素的采集處理。

（4）擴展網(wǎng)絡(luò)平臺節(jié)點要求

在我們開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)中，當(dāng)該設(shè)備系統(tǒng)中需要連接新的平臺節(jié)點時，我們設(shè)計的理念是不能對系統(tǒng)作大的改動，因此，對于節(jié)點而言，統(tǒng)一、完整的外部接口設(shè)計就是我們可行的選擇，這樣做了之后，我們在原來的節(jié)點上添加新節(jié)點顯得相當(dāng)方便，這樣一來，我們在新的節(jié)點設(shè)計上就不再需要花太多時間。

（5）農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)有低成本要求

農(nóng)業(yè)是一個薄弱環(huán)節(jié)，如果在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了大量的成本，那將使得項目很難推動，因此，我們對于項目的設(shè)計考慮是應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，農(nóng)業(yè)區(qū)域面積較廣，節(jié)點是隨機大量的布置在廣大區(qū)域中，這樣一來，大量的節(jié)點分布使得每個節(jié)點的制作成本顯得格外重要，節(jié)點的性價比對每個節(jié)點部件來說都有較高的要求。

（6）低功耗節(jié)點的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺

農(nóng)業(yè)現(xiàn)場一般是無線方式布置的節(jié)點，這樣就使得傳感器節(jié)點由電池供電，電池的使用是有壽命的，這就使得我們在設(shè)計該項目時，更多會考慮傳輸網(wǎng)絡(luò)和信息采集過程中產(chǎn)生更低的功耗，從而使節(jié)點能更長時間的工作，避免頻繁更換電池。

2.2無線傳感器農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

結(jié)合 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境要素監(jiān)測處理設(shè)計要求，本項目系統(tǒng)采用樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲模型結(jié)構(gòu)，總體上由路由器節(jié)點、傳感器節(jié)點、總控計算機機和協(xié)調(diào)器四部分組成。在該系統(tǒng)平臺中，協(xié)調(diào)器用于整個農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，有了該中心節(jié)點，每次產(chǎn)生一個新網(wǎng)絡(luò)，而且對網(wǎng)絡(luò)的各個連接進行管理，對入網(wǎng)申請進行必要的處理。在平臺中，USB 總線負責(zé)提供協(xié)調(diào)器節(jié)點能量，同時USB 接口負責(zé)將數(shù)據(jù)送到系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控中心[3]。

在整個網(wǎng)絡(luò)中，路由器節(jié)點相當(dāng)重要，它不僅要管理網(wǎng)絡(luò)連接，擔(dān)任協(xié)調(diào)器的角色，同時，它還作為農(nóng)業(yè)信息化平臺的一個中繼節(jié)點，負責(zé)尋找一條最佳數(shù)據(jù)傳輸路徑，將每個通過它的數(shù)據(jù)幀其送至最終的平臺上。由于通信距離的限制，使用中繼節(jié)點，使得傳送距離在 80米以內(nèi)的ZigBee協(xié)議，傳輸?shù)木嚯x得到極大拓展。在設(shè)計該平臺時，屬于全功能設(shè)備的路由器節(jié)點，我們充分考慮其重要性，能量的供給相當(dāng)重要，所以由專用電源供電。

在總體設(shè)計中，我們考慮設(shè)計直接采集農(nóng)業(yè)要素傳感器節(jié)點時，由于采集光照、溫度、濕度等信息要素時間性要求，為了節(jié)約能量，在系統(tǒng)不需采集數(shù)據(jù)時，采取節(jié)能技術(shù)讓節(jié)點進入不工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)工作時，由定時器喚醒這些節(jié)點讓其重新恢復(fù)工作狀態(tài)，因此，傳感器節(jié)點用兩節(jié)干電池能量供給。

在設(shè)計中，我們設(shè)計的上位 PC 機位于監(jiān)控中心，通過系統(tǒng)平臺的串口調(diào)試工具，我們可以方便地進行顯示來自協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)信息，而且能夠?qū)崟r顯示包括傳感器節(jié)點的通信端口號、16 位網(wǎng)絡(luò)地址、連接狀態(tài)、64位信MAC 物理地址以及光照、溫度、濕度等傳感器節(jié)點的當(dāng)前工作狀態(tài)，供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者決策使用。

3　信息化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的硬件節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)

可以這么說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分是無線傳感器ZigBee節(jié)點，因此，如何選擇節(jié)點元器件，是否考慮了節(jié)能，以及如何定位，相應(yīng)的模塊電路如何設(shè)計，都是硬件節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)需要考慮的問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee的硬件設(shè)備設(shè)計中，我們主要設(shè)計的節(jié)點都是嵌入式硬件節(jié)點，有路由節(jié)點、傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器模塊節(jié)點，主要由電源供電模塊、處理器處理模塊、無線參數(shù)數(shù)據(jù)通信模塊以及必要的系統(tǒng)調(diào)試模塊組成。此外傳感器節(jié)點還必須具備用于采集光照、溫度、濕度信息的一個模塊；還要具備一個USB接口的協(xié)調(diào)器節(jié)點，以便于與計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。平臺的傳感器模塊主要用于采集農(nóng)業(yè)現(xiàn)場中的光照、溫度、濕度信息，并對這些數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接嬎銠C中心，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測。在處理器負責(zé)控制模塊中，主要布置了進行路由控制的路由協(xié)議模塊、進行定位控制的同步定位模塊、進行能量控制的功耗模塊以及進行任務(wù)控制的任務(wù)管理模塊等。在硬件設(shè)計中，通常負責(zé)與其它節(jié)點進行無線通信的無線通信模塊負責(zé)發(fā)送采集得到的數(shù)據(jù)。除此之外，文章還設(shè)計兩種調(diào)試接口，其中，DC引腳和DD引腳組成Debug接口。DD引腳完成主設(shè)備與從設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。SPI接口主要由4個引腳組成。這四個腳分別實施不同的功能，其中四個腳中的MISO腳為主輸入/從輸出信號接口，四個腳中SCLK腳為時鐘信號接口，四個腳中MOSI腳為主輸出/從輸入信號接口，四個腳中/SS腳為使能信號接口。GND、DD、DC、Reset_N是在下載程序或調(diào)試過程中，必然進行連接的電源信號和引腳。其中，SPI 的4個引腳可以不接?？梢允菃为毠╇娔芰刻峁┠Ｊ?，也可以由仿真器提供。

4　無線傳感器農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺節(jié)點軟件設(shè)計與實現(xiàn)

完成好節(jié)點的硬件設(shè)計后，接下來的工作就應(yīng)該是進行節(jié)點的軟件設(shè)計與實現(xiàn)，僅僅是硬件還不能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)以及數(shù)據(jù)的收發(fā)等工作，必須編寫程序來實現(xiàn)。在硬件設(shè)計的完成基礎(chǔ)上，使用編程語言開發(fā)程序，可以保證正確完善的運行，同樣也是提高系統(tǒng)關(guān)鍵性能所在。

在開發(fā)系統(tǒng)過程中，經(jīng)過反復(fù)論證，由于C語言具有底層開發(fā)和良好的移植性特點，最終，我們選用C語言作為編程開發(fā)語言。不僅如此，我們還選擇移植了TI公司的開發(fā)的 Z-Stack 協(xié)議棧，這主要是基于簡單通用性的考慮，該協(xié)議棧支持CC2430系統(tǒng)片上問題解決方案，從而使我們在開發(fā)系統(tǒng)時大大降低了開發(fā)的難度[4]。

在軟件開發(fā)中，我們所用到的Z-Stack 是裝載在一個基于IAR開發(fā)運行環(huán)境中。IARsystem 公司開發(fā)的IAR Embedded Workbench是一個可以支持超過35種諸如8位/16位的強集成開發(fā)環(huán)境。

文章設(shè)計的光照、溫度、濕度無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要有：傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點三種設(shè)備。其中，路由器節(jié)點在自己的子網(wǎng)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色和路由功能，即為通過它的數(shù)據(jù)參數(shù)值找到一條最合適的路徑。在項目設(shè)計中，我們考慮數(shù)據(jù)傳輸時，只需設(shè)計傳輸數(shù)據(jù)到協(xié)議棧，由Z-Stack協(xié)議棧提供路由協(xié)議，并且負責(zé)找尋路徑，并將接收的數(shù)據(jù)送到最終點。因此協(xié)調(diào)器節(jié)點和傳感器節(jié)點的程序設(shè)計是我們設(shè)計的最主要任務(wù)。

5　結(jié)束語

本文給出了開發(fā)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)絡(luò)中涉及的一些基本知識點。項目建立了智能無線傳感器農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，并對農(nóng)業(yè)信息化現(xiàn)場的光照、溫度、濕度參數(shù)進行了檢測。最后，本項目運行后，通過將模型計算數(shù)值與實際測量的數(shù)值相比較，其中最小誤差為0.003m/s，最大誤差僅為0.017m/s，從而說明了開發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，這樣就為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化管理的更進一步研究提供一定的參考，從而為建立實時、高效、準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)信息化自動化系統(tǒng)發(fā)揮作用。

[1]彭力.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2011.

[2]陳一飛,杜尚豐.對農(nóng)業(yè)大系統(tǒng)控制若干問題的思考[J].農(nóng)業(yè)工程(創(chuàng)刊號),2011,(1):1-5.

[3]張強,孫雨耕,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國電力,2010,43(6):31-36.

[4]李海建,王民,王懷德等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田信息采集中的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究,2008,(3):187-189.

（責(zé)任編校：宮彥軍）

2015－12－26

2014年永州市本級科技創(chuàng)新項目(永財企指[2014]33號)；2015年永州市本級科技創(chuàng)新項目(永財企指[2015]25號)。

戴振華（1981－），男，湖南衡陽人，中南大學(xué)計算機應(yīng)用技術(shù)研究生，湖南科技學(xué)院講師，研究方向為嵌入式及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

TP399

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1673-2219（2016）05-0025-03