無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能種植中的應(yīng)用

周達(dá)明

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，正逐步深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，比如軍事偵察、醫(yī)療護(hù)理、建筑結(jié)構(gòu)等等。智能種植也是一類典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的信息采集與處理提供了新的思路和有力手段。

一、應(yīng)用背景

該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前景受各方關(guān)注。在美國，英特爾建立了一個(gè)無線葡萄園。傳感器被分布在葡萄園的每個(gè)角落，每隔一分鐘檢測(cè)一次土壤溫度，以確保葡萄的健康生長(zhǎng)，進(jìn)而獲得可觀的產(chǎn)量。在此基礎(chǔ)上，研究人員建立一種系統(tǒng)，用于監(jiān)視每一傳感器區(qū)域的溫度，以及該地區(qū)有害物的數(shù)量。他們甚至計(jì)劃在家畜上使用傳感器，以便可以在巡邏時(shí)搜集必要信息。這些信息將有助于開展高效率的灌溉和噴灑農(nóng)藥，進(jìn)而降低成本，確保農(nóng)場(chǎng)獲得高效益。

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“西北優(yōu)勢(shì)農(nóng)作物生產(chǎn)精準(zhǔn)管理系統(tǒng)”實(shí)施以來，主要針對(duì)西部地區(qū)優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品蘋果、獼猴桃、番茄等主要農(nóng)作物，以及西部干旱少雨的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)開展專項(xiàng)技術(shù)研究、系統(tǒng)集成與典型應(yīng)用示范，成功將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成功應(yīng)用于精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。這個(gè)實(shí)時(shí)采集作物生長(zhǎng)環(huán)境的傳感網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供了新的技術(shù)支撐。

二、需求分析

①網(wǎng)絡(luò)性：節(jié)點(diǎn)必須能夠自組織地形成采集、處理和收發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這就要求節(jié)點(diǎn)必須要有足夠的存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)采集、處理速度等。

②小型化：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用要求節(jié)點(diǎn)的體積足夠小，以保證不會(huì)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)本身的特性造成影響。

③低成本：低成本是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本要求，也是大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的前提，因此必須保證低成本。

④低功耗：由于設(shè)備的體積有限性及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)環(huán)境的特殊性，不可能使用通常的工業(yè)電能，只能靠電池長(zhǎng)期供電，所以要使用低功耗的器件以節(jié)約能源。

⑤穩(wěn)定性：要求節(jié)點(diǎn)的各個(gè)部件都能夠在給定的外部環(huán)境變化范圍內(nèi)正常工作，農(nóng)機(jī)的田間作業(yè)和各種天氣條件也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要謹(jǐn)慎考慮的因素，在硬件出現(xiàn)問題時(shí)能夠通過軟件及時(shí)感知并采取積極的措施。

三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

綜合分析上述應(yīng)用特點(diǎn)，借鑒互聯(lián)網(wǎng)上的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心兩部分組成，無線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由分布在農(nóng)田中多個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成，實(shí)時(shí)采集土壤水分、土壤溫度參數(shù)，基于ZigBee無線通信協(xié)議組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)最終路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將全部數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信傳輸方式轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均采用太陽能供電模式，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和進(jìn)一步的分析。

四、農(nóng)田監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

1.傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，具有一定的處理能力和通信能力。傳感器節(jié)點(diǎn)控制板采用太陽能電源組件供電，支持傳感器數(shù)據(jù)采集，通過串行端口與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)程序下載。土壤水分傳感器采用FDS系列水分傳感器，運(yùn)用頻域方法測(cè)量含水土壤混合體的介電常數(shù)，獲得土壤水分，土壤溫度傳感器采用基于半導(dǎo)體PN級(jí)測(cè)量原理的ST10，將不同傳感器分別連接到節(jié)點(diǎn)控制板的傳感器接口，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后接入A/D通道，通過標(biāo)定曲線轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)的測(cè)量參數(shù)値。

2.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

·無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚。通過異步串行端口連接作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的無線通信模塊，網(wǎng)絡(luò)協(xié)同器功能由板載程序自行完成，族入式Linux只需完成串口數(shù)據(jù)通信功能。

·GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)現(xiàn)GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信需要自下而上完成驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層和應(yīng)用層設(shè)計(jì)；嵌入式Linux內(nèi)核支持PPP協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，在編譯Linux內(nèi)核時(shí)選中支持這些選項(xiàng)；應(yīng)用層在網(wǎng)絡(luò)連接建立后，具體實(shí)現(xiàn)向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能。

·傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)。采用了USB接口存儲(chǔ)方式，具有容量大、可擴(kuò)展、熱插拔的優(yōu)點(diǎn)。

·電源輸入。供電部分仍采用太陽能電源，由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能耗較大，選擇合適功率的太陽能電源組件，同時(shí)還需要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化，以降低能耗。

五、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵技術(shù)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心為一臺(tái)具有固定公網(wǎng)IP地址的計(jì)算機(jī)，在其上運(yùn)行的基站數(shù)據(jù)管理軟件是該部分的核心。

基站數(shù)據(jù)管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)分布在農(nóng)田中的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所采集的定點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空分析。集成地理信息系統(tǒng)提供制圖、數(shù)據(jù)編輯的基本功能，還支持空間分析和3D分析等高級(jí)操作功能?；緮?shù)據(jù)管理軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和時(shí)空分析，根據(jù)功能需求，劃分成如下模塊：

（1）數(shù)據(jù)接收模塊。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與基站之間采用C/S客戶端服務(wù)器工作模式，監(jiān)聽本地IP地址的綁定端口，在確認(rèn)客戶端即網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求后，接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)自定義數(shù)據(jù)包協(xié)議完成數(shù)據(jù)解析。

（2）數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊。根據(jù)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，采用時(shí)段劃分的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理方式，將解析數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)表格的對(duì)應(yīng)屬性字段中。

（3）監(jiān)測(cè)量時(shí)間變化分析模塊。從數(shù)據(jù)庫表中讀取監(jiān)測(cè)量數(shù)據(jù)，以時(shí)間為橫軸，繪制監(jiān)測(cè)量隨時(shí)間變化的曲線，分析監(jiān)測(cè)量連續(xù)變化的特性。

（4）監(jiān)測(cè)量空間變異分析模塊。與災(zāi)害預(yù)警應(yīng)用不同，農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)旨在通過節(jié)點(diǎn)位置上的環(huán)境變量采樣估計(jì)其他非節(jié)點(diǎn)位置上的數(shù)據(jù)，生成環(huán)境變量的空間分布圖，目前在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中嵌入GPS模塊，成本過高且無必要，因此系統(tǒng)借鑒土壤柵格采樣策略，根據(jù)預(yù)先的部署設(shè)計(jì)將節(jié)點(diǎn)安裝在網(wǎng)格中，利用GPS測(cè)量節(jié)點(diǎn)的精確位置，并將節(jié)點(diǎn)名稱和位置信息輸入到基站數(shù)據(jù)管理軟件中，生成傳感器節(jié)點(diǎn)圖層，用設(shè)定時(shí)間間隔所接收到的最新節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新節(jié)點(diǎn)圖層中土壤濕度、土壤溫度等監(jiān)測(cè)量字段數(shù)據(jù)，通過空間分析模塊實(shí)現(xiàn)空間插值。獲得任意時(shí)段的監(jiān)測(cè)量空間分布。

六、可能存在的問題

（1）對(duì)于同一塊農(nóng)田，低功率模塊通信覆蓋范圍小，提高節(jié)點(diǎn)部署密度，必然增加投入成本，但有利于保證環(huán)境監(jiān)測(cè)變量的采樣密度；高功率模塊可以較好地保證網(wǎng)絡(luò)連通性，降低成本，但可能導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)失去空間相關(guān)性，因此節(jié)點(diǎn)部署需綜合分析通信和采樣兩個(gè)因素。

（2）針對(duì)農(nóng)田具體覆蓋作物，設(shè)計(jì)適宜的節(jié)點(diǎn)天線放置高度，有利于減少信號(hào)傳輸?shù)穆窂綋p牦。

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，每個(gè)作為終端設(shè)備的傳感器節(jié)點(diǎn)在有效通信范圍內(nèi)至少能夠與兩個(gè)以上的作為路由器的傳感器節(jié)點(diǎn)通信，以保證一條鏈路出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

七、結(jié)語

分析農(nóng)田環(huán)境的應(yīng)用需求，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)由土壤溫濕度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心兩部分組成的農(nóng)田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。廣域采集、實(shí)時(shí)傳輸?shù)霓r(nóng)田信息化管理解決方案是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)方面的重要應(yīng)用示范之一。

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)對(duì)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。在目前農(nóng)業(yè)自然資源不斷減少，國內(nèi)需求量逐年增加的情況下，農(nóng)業(yè)想要進(jìn)一步發(fā)展，就必須要求創(chuàng)新革新，推動(dòng)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化、信息化發(fā)展。傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的信息采集與處理提供了新的思路和高效的手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新的技術(shù)，還有許多課題的研究需要科技工作者堅(jiān)持不懈的努力。相信在各界人士的奮斗之下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)更好、更廣地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，造福于社會(huì)。