基于單片機構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

呂慶軍，鐘聞宇，由浩良

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林132101）

農(nóng)業(yè)是眾多產(chǎn)業(yè)中的基本大業(yè)，人們的生產(chǎn)生活活動都離不開農(nóng)業(yè)的發(fā)展。只不過人們對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的印象還停留在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依靠勞動力進行施肥、犁地等勞作。但是，在智慧農(nóng)業(yè)中，依靠技術(shù)的智能化操作，實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的空氣濕度、光照強度、灌溉強度、二氧化碳濃度等信息進行實時的定量精準(zhǔn)把關(guān)。利用物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以解放勞動力，運用技術(shù)手段實現(xiàn)一切農(nóng)作物生長需要。無線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，不僅可以改變粗放的農(nóng)業(yè)管理模式，還可以在很大程度上監(jiān)測農(nóng)作物是否有病蟲害、重金屬等風(fēng)險存在，如此便可以保證農(nóng)作物的質(zhì)量，提高產(chǎn)量。

1 智慧農(nóng)業(yè)的概述

智慧農(nóng)業(yè)是集新興互聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動通信網(wǎng)絡(luò)和“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)于一體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級階段。對確保農(nóng)作物可以健康生長的土壤、光照、水分、二氧化碳等元素通過不同的傳感節(jié)點實現(xiàn)實時監(jiān)測。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能預(yù)警、智能分析、智能決策等具有一定的指導(dǎo)作用。確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達到可視化管理和精準(zhǔn)種植的效果。

1.1 智慧農(nóng)業(yè)的定義

智慧農(nóng)業(yè)還有另一種名字，就是智能農(nóng)業(yè)。智慧農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比本質(zhì)上的不同就在于它利用的是智能化的監(jiān)測分析系統(tǒng)。將計算機信息技術(shù)、云計算、3S技術(shù)以及多位專家的在線指導(dǎo)就是智慧農(nóng)業(yè)。智慧農(nóng)業(yè)的目標(biāo)在于用最低的成本和最低的能源消耗、最大程度上減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對生態(tài)環(huán)境造成的影響，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量高產(chǎn)量生產(chǎn)和保護生態(tài)環(huán)境的同步進行，智慧農(nóng)業(yè)是一種現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)發(fā)展形態(tài)與模式。通過自動化的生產(chǎn)、結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控、無線采集、自動灌溉、施肥、噴藥等農(nóng)業(yè)活動，減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)自動化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.2 智慧農(nóng)業(yè)的特點

隨著科技的幾步和廣泛運用，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式已經(jīng)無法滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，智慧農(nóng)業(yè)成為目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢。智慧農(nóng)業(yè)可以解決農(nóng)業(yè)資源不足、農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提高難度大、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境污染嚴(yán)重等多種問題。這是因為，智慧農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，有很多的特點和優(yōu)勢。第一，智慧農(nóng)業(yè)利用的高新技術(shù)可以在很大程度上避免資源浪費。這是因為信息技術(shù)可以支撐其對空間、土壤、水分、光照等因素的計算和探測，并根據(jù)實際情況進行統(tǒng)籌分析，確定農(nóng)作物的種類和數(shù)量。第二，智慧農(nóng)業(yè)可以在有限的資源中創(chuàng)造出最大的產(chǎn)值。根據(jù)對農(nóng)作物生長所需要的因素盡心分析檢測，智慧農(nóng)業(yè)可以通過對這些因素的改變進行新的種植計劃。這個過程也是需要通過無線傳感器網(wǎng)路實現(xiàn)的，利用對信息的交換傳遞及處理，改變可以改變的因素，使農(nóng)作物的生長所需要的環(huán)境達到一定的標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)量，實現(xiàn)資源的最大利用。

1.3 智慧農(nóng)業(yè)的系統(tǒng)架構(gòu)

智慧農(nóng)業(yè)的系統(tǒng)架構(gòu)可以分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三方面：

感知層的作用正如它的名字一樣，是被用來感知外界信息的，換句話說，感知層是利用它本身的識別技術(shù)，對農(nóng)作物生長環(huán)境中的各類信息進行識別，它為傳輸層和應(yīng)用層提供最原始的數(shù)據(jù)。感知層通過光照傳感器、土壤濕度傳感器、風(fēng)向傳感器等一些列的傳感器對各類信息進行識別。

傳輸層是一種傳遞技術(shù)，它主要負(fù)責(zé)的是對信息處理和傳遞。傳輸層是整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中樞。在這個環(huán)節(jié)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算以及移動通信網(wǎng)的合作運行。在農(nóng)業(yè)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)根據(jù)隨機分布的多種類的微型傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在對網(wǎng)絡(luò)進行全覆蓋的同時，采集、計算和處理區(qū)域中監(jiān)測到的對象的動態(tài)信息。因為對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控面積十分大，想要網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋得足夠全面，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)是十分實用的。

應(yīng)用層的工作是在感知層和傳輸層完成指標(biāo)之后，再進行內(nèi)部的運作來完成的。也是在整個系統(tǒng)中的最后一個環(huán)節(jié)。將前面環(huán)節(jié)中搜集的和分析出的數(shù)據(jù)及信息進行分析處理，以便于應(yīng)用到系統(tǒng)的整個操作流程中。通過采集、存儲和管理每個節(jié)點中的數(shù)據(jù)，對農(nóng)業(yè)基地的各種動態(tài)信息進行監(jiān)控。然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息進行自動化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，并對異常的活動動態(tài)進行預(yù)警處理。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在智慧農(nóng)特中的應(yīng)用

2.1 無線傳感器節(jié)點的構(gòu)成

無線傳感器節(jié)點的構(gòu)成并不復(fù)雜，但是每一個節(jié)點之間都存在相應(yīng)的聯(lián)系。在整個系統(tǒng)的運行中，不同的節(jié)點扮演著不同的角色，起到不同的作用。數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和傳感器之間共同集成了這些不同的節(jié)點。其中，在無線傳感器的構(gòu)成上有三大要素，即：被測對象、傳感器和觀測者。無線傳感器節(jié)點的構(gòu)成不僅可以檢測環(huán)境信息，還具有處理數(shù)據(jù)和無線通信的功能。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和處理部分以及分散式用戶接收設(shè)備。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系中，存在一個匯聚點，這個匯聚點可以接收到來自不同節(jié)點發(fā)布和傳遞過來的信息。同樣的額，匯聚點也可以將處理好的信息傳遞到每一個節(jié)點中。檢測人員可以利用這樣的傳遞關(guān)系進行監(jiān)控和管理，發(fā)布監(jiān)控任務(wù)或通過管理節(jié)點收集數(shù)據(jù)。每個節(jié)點的微處理器根據(jù)其自己的傳感器模塊提供的數(shù)據(jù)定時，執(zhí)行遠(yuǎn)程控制信息的實時數(shù)據(jù)收集、分析和處理、發(fā)送和接收。當(dāng)某個節(jié)點攜帶的傳感器檢測到某個參數(shù)指標(biāo)超過標(biāo)準(zhǔn)時，該節(jié)點會自動發(fā)出報警信號。匯聚節(jié)點與PC機相連，可以從每個節(jié)點接收信息，并可以及時發(fā)現(xiàn)和確定發(fā)送信息的節(jié)點的位置。每個傳感器的數(shù)據(jù)按照預(yù)定協(xié)議發(fā)送給PC機，PC機實時存儲和顯示數(shù)據(jù)，并將接收到的實時數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)進行比較。利用這些具體的數(shù)據(jù)分析報告可以測試出目前的環(huán)境是否達到了預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，并且可以再次基礎(chǔ)上制定出相應(yīng)的整改計劃。

2.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布局以及與主機之間的距離來進行設(shè)計。每一個環(huán)節(jié)都是獨立的個體，但是彼此之間又存在很多密切的聯(lián)系。著就是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心。每個節(jié)點的傳感器與PC機相連接控制終端通信，并將采集到的數(shù)據(jù)傳遞過去。終端對收到的信息進行分析處理，并將處理的結(jié)果用同樣的方式傳遞到每個節(jié)點中。傳感器節(jié)點主要采集土壤溫濕度、降雨量、酸堿度、風(fēng)速、空氣溫濕度等信息，并傳輸?shù)娇刂浦行牡膯纹瑱C，計算啟動水泵的供水時間。同時，供水時間信息通過通信傳輸?shù)娇刂浦行?，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，并通過計算機中的云模型進行處理和響應(yīng)。傳感器節(jié)點的驅(qū)動程序，是從各種傳感器的初始化狀態(tài)開始，然后進入循環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)各種傳感器對數(shù)據(jù)的采集和處理進行樣本的采集，再傳遞相關(guān)的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的接受之后，根據(jù)預(yù)定的格式提取并處理，最終調(diào)整當(dāng)前的工作狀態(tài)。

3 結(jié)語

智慧農(nóng)業(yè)是時代發(fā)展的產(chǎn)物，也是信息科技化時代下農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型離不開智慧農(nóng)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展。因此，分析構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展十分重要。智能化的系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確對農(nóng)作物生長環(huán)境進行檢測分析，在最大程度實現(xiàn)農(nóng)作物的高產(chǎn)量、低污染、低消耗，還可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)中使用的傳感器相結(jié)合，用于現(xiàn)代大規(guī)模農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理過程。