智慧農(nóng)業(yè)與無(wú)線傳感器應(yīng)用分析

劉雪霞

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西省臨汾市 041000）

現(xiàn)階段，在農(nóng)田與森林等規(guī)模生產(chǎn)之中，怎么監(jiān)督控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境空氣溫度和光纜、土壤溫度和降雨量等信息，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量保證亟需處理的一大問(wèn)題，借助無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)督控制和收集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，是現(xiàn)下農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)探索的關(guān)鍵課題，把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用，不僅可以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)管理方法，還可以提升農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)控能力，保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。下面就針對(duì)智慧農(nóng)業(yè)中無(wú)線傳感器的運(yùn)用展開(kāi)分析論述。

1 智慧農(nóng)業(yè)中無(wú)線傳感器的作用

1.1 提供數(shù)據(jù)平臺(tái)服務(wù)

數(shù)據(jù)平臺(tái)服務(wù)就是借助傳感器與大數(shù)據(jù)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等展開(kāi)數(shù)據(jù)采集和分析，經(jīng)過(guò)可視化展示，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況展開(kāi)及時(shí)追蹤與病害監(jiān)督檢測(cè)，預(yù)測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量等。智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)服務(wù)運(yùn)用關(guān)鍵是采用無(wú)人機(jī)航拍、衛(wèi)星遙感與傳感器收集的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，收集到的數(shù)據(jù)涵蓋了土地土壤與農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)、天氣與病蟲(chóng)害數(shù)據(jù)等。接著經(jīng)過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)加以分析和處理，同時(shí)構(gòu)建可視化模型，達(dá)到種植適合區(qū)規(guī)劃與作物生產(chǎn)預(yù)測(cè)等作物有效管理的目的?，F(xiàn)階段中國(guó)注重?zé)o人機(jī)航拍采集數(shù)據(jù)的公司少之又少，而比較多的是衛(wèi)星遙感技術(shù)。

1.2 農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛

所謂農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛，主要是指經(jīng)過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航達(dá)到農(nóng)機(jī)圍繞直線作業(yè)的功能，關(guān)鍵使用角度傳感器得到農(nóng)機(jī)偏移數(shù)據(jù)、導(dǎo)航衛(wèi)星定位追蹤車(chē)輛數(shù)據(jù)以及攝像頭采集作物生長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，把這幾個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞至控制端，分析數(shù)據(jù)，且使用車(chē)載計(jì)算機(jī)顯示器及時(shí)重現(xiàn)實(shí)時(shí)工作狀況與進(jìn)度。農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛中，農(nóng)機(jī)車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)是其運(yùn)用的基礎(chǔ)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)是農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提條件，經(jīng)過(guò)農(nóng)機(jī)車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)可以進(jìn)行農(nóng)機(jī)監(jiān)控與決策等操作。現(xiàn)如今農(nóng)機(jī)車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)用在小麥機(jī)與拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械中。

2 智慧農(nóng)業(yè)中常用的無(wú)線傳感器

2.1 在農(nóng)業(yè)種植中的傳感器應(yīng)用

當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)的主要形式是溫室大棚種植，使用的無(wú)線傳感器主要有以下幾種：其一是溫濕度傳感器。這種傳感器是當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)中使用最為廣泛的一種傳感器，通常是使用在溫室大棚、土壤與露天環(huán)境等過(guò)程中的溫度濕度監(jiān)測(cè)中?？諝鉂穸葌鞲衅鳎饕菍?duì)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境中空氣濕度溫度進(jìn)行檢測(cè)，一般是安裝在大棚或是畜舍中空氣比較流通的遮陽(yáng)處。土壤溫度和濕度傳感器則是裝置在農(nóng)作物的根部土壤中，安裝時(shí)要依據(jù)作物的根系深度確定傳感器的埋入深度。每個(gè)大棚一般是安裝2 到4 個(gè)傳感器，用其來(lái)對(duì)作物生長(zhǎng)中土壤溫度、水分等情況進(jìn)行檢測(cè)，從而便于澆灌工作的開(kāi)展；其二是氣體傳感器，目前使用比較多的主要是二氧化碳，這種傳感器一樣適合使用在大棚種植中。因?yàn)闇厥沂且粋€(gè)比較封閉的環(huán)境，二氧化碳濃度和外界相比有很大的差異。溫室中二氧化碳含量對(duì)作物的生長(zhǎng)有一定的影響，二氧化碳太多或是太少，都會(huì)對(duì)作物形成很大的影響。除此之外，在農(nóng)作物的生產(chǎn)和種植中，還可以把傳感器安裝在農(nóng)機(jī)具中，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，檢測(cè)機(jī)具各種參數(shù)，從而優(yōu)化農(nóng)機(jī)產(chǎn)品某幾項(xiàng)參數(shù)，獲得較高的滿意度。比如在收割機(jī)上安裝物位傳感器，來(lái)控制農(nóng)作物收割時(shí)的離地高度，為后序生產(chǎn)提供良好工作環(huán)境；再如，可以把磁傳感器安裝在聯(lián)合收割機(jī)上，來(lái)?yè)斐龌爝M(jìn)谷物中的金屬雜質(zhì)。

2.2 農(nóng)產(chǎn)品加工檢測(cè)中的傳感器應(yīng)用

智慧農(nóng)業(yè)還體現(xiàn)在農(nóng)產(chǎn)品的加工檢測(cè)中對(duì)各種傳感器的使用。普通的農(nóng)產(chǎn)品都要做分類(lèi)加工。比如按直徑大小對(duì)水果、蔬菜分選，需要用到差分變壓器式直徑分選裝置；在去除青果時(shí)，需要用到像眼睛功能的傳感器，從普通光電傳感器，再到復(fù)雜的圖像傳感器，都可以識(shí)別農(nóng)產(chǎn)品中的雜質(zhì)或是不是成熟體，然后反饋給系統(tǒng)做篩選。還有高精度圖像傳感器，可以對(duì)農(nóng)產(chǎn)品表面的損傷和顏色進(jìn)行識(shí)別，在此基礎(chǔ)上做好分類(lèi)處理。比如油茶果選機(jī)，其就是使用了高清圖像傳感器，對(duì)油茶果果殼和籽進(jìn)行圖像采集，從而完成油茶果的色選與分類(lèi)。在農(nóng)業(yè)檢測(cè)中，最近幾年使用了電子鼻檢測(cè)技術(shù)，使用氣敏傳感器識(shí)別氣味，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)氣味的持續(xù)監(jiān)測(cè)。電子鼻子是由傳感器陣列和識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成，傳感器陣列上有很多氣敏傳感器，每個(gè)傳感器都能夠識(shí)別不同氣味。經(jīng)過(guò)這種傳感器的使用，能檢測(cè)出農(nóng)產(chǎn)品中殘留的農(nóng)藥，還有不同水果的成熟度等。

3 智慧農(nóng)業(yè)中應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體案例分析

使用在智慧農(nóng)業(yè)中的無(wú)線傳感器比較多，而不同的網(wǎng)絡(luò)組合方式也比較多，下面主要是以ZigBee 為例子，闡述ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智慧農(nóng)業(yè)中的組網(wǎng)方式。

3.1 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee 是介于無(wú)線標(biāo)識(shí)與藍(lán)牙兩者之間的一種無(wú)線通信技術(shù)，其特點(diǎn)表現(xiàn)為成本低、功能消耗低、距離近以及容易運(yùn)用等，其使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，將2.4GHz 作為核心頻段，在上千微小傳感器相互間彼此協(xié)調(diào)通信，經(jīng)過(guò)無(wú)線電波采取接力的形式傳播數(shù)據(jù)。IEEE802.15.4 界定了以下設(shè)備：路由器與協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)，這幾種硬件結(jié)構(gòu)一樣，經(jīng)過(guò)軟件匹配差異化的設(shè)備功能，1 個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是以1 個(gè)協(xié)調(diào)器與多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，可以支持65535 個(gè)節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)接著多種傳感器，把收集的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，于空曠的地帶該傳輸距離為百米左右。倘使要增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，需要在網(wǎng)絡(luò)中添加路由器從而達(dá)到信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)不一樣的應(yīng)用環(huán)境，其支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而此次選擇采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.1.1 整體設(shè)計(jì)方案分析

ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用在智慧農(nóng)業(yè)中的系統(tǒng)是以無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以及控制中心構(gòu)成的，很多分布在監(jiān)測(cè)地區(qū)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)承擔(dān)監(jiān)測(cè)溫濕度等農(nóng)業(yè)信息，同時(shí)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器把接到的數(shù)據(jù)以網(wǎng)關(guān)經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)傳遞到控制中心，而控制中心儲(chǔ)存與分析、處理數(shù)據(jù)以后，需要以專(zhuān)家決策系統(tǒng)進(jìn)行反饋，借此建立出信息可控的收集、傳輸、處理、決策等程序的應(yīng)用系統(tǒng)。

3.1.2 系統(tǒng)硬件電路

首先，無(wú)線通信模塊?，F(xiàn)如今，比較?？吹降腪igBee 無(wú)線通信處理方案就是ZigBee 芯片加MCU 處理方案以及單芯片處理方案。為了進(jìn)一步將電路簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)過(guò)程中選取后一種方案，CC2530 是以某企業(yè)推行的二代ZigBee 無(wú)線射頻芯片，其工作電壓范疇是2 到3V 左右，其集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF 收發(fā)器與加強(qiáng)單周期8051 內(nèi)核，支持系統(tǒng)進(jìn)行在線編輯，傳感器可以經(jīng)過(guò)單總線和CC2530 的I/O 相接。

其次，網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)是為了達(dá)到以太網(wǎng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相互間協(xié)議與路由等功能，承擔(dān)把協(xié)調(diào)器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳遞至控制中心，并且還用來(lái)把控制中心指令傳遞至終端階段，工作較為復(fù)雜，接口電路復(fù)雜，同時(shí)要有健全的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧加以支持，所以，在硬件選型中使用32 位微處理器為主要開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)過(guò)程中采用核心板+底板硬件構(gòu)成方案，充分滿足各種需求應(yīng)用，僅需要添加功能底板中的接口電路。

最后是傳感器模塊的設(shè)計(jì)，其中有溫度傳感器，溫度傳感器可以使用比較先進(jìn)的模塊，要能夠?qū)崿F(xiàn)只需要一條I/O 線就可以和微處理進(jìn)行雙向通信。這種傳感器可以直接用數(shù)字輸出的方式輸出檢測(cè)的溫度，測(cè)量溫度范圍通常是-55℃到125℃。在實(shí)踐操作中，這種芯片不需要任何外圍元件，能夠用數(shù)據(jù)線直接供應(yīng)電能，供電電壓范圍是+3.0V 到+5.5V。此芯片還有很高的轉(zhuǎn)換速率，能夠進(jìn)行上下限的報(bào)警。還有則是光敏電阻器，在ZigBee 系統(tǒng)中使用的是硫化鎘光敏電阻器，其對(duì)光照敏感性和人眼對(duì)可見(jiàn)光的反應(yīng)程度比較接近，可以有效使用在溫室光照變化的監(jiān)測(cè)中。

3.1.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件一般涵蓋了網(wǎng)關(guān)軟件與上位機(jī)界面、還有ZigBee 節(jié)點(diǎn)軟件這幾個(gè)部分，在這之中，網(wǎng)關(guān)軟件通常是依據(jù)AT91ARM9200 微處理器的ARM-Linux 軟件研制平臺(tái)的構(gòu)建與數(shù)據(jù)串口收發(fā)設(shè)計(jì)。

首先，ZigBee 節(jié)點(diǎn)軟件主要是采用IAR 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境于ZStack-CC2530-2.3.0.1.4.0 協(xié)議棧進(jìn)行的。該協(xié)議棧乃ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議集合，是以函數(shù)的方式表現(xiàn)的，同時(shí)提供給用戶(hù)應(yīng)用層應(yīng)用程序編程接口，僅僅需要在應(yīng)用層函數(shù)里面添加傳感器進(jìn)行函數(shù)讀取就能夠達(dá)到數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)。協(xié)調(diào)器乃ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)，承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和維護(hù)，上電初始化以后，協(xié)調(diào)器選取1 個(gè)信道構(gòu)建且偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)。如若終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)加入，協(xié)調(diào)器會(huì)給這一終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備配置16 位的網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)允許其網(wǎng)絡(luò)加入，組網(wǎng)完成，協(xié)調(diào)器接收來(lái)源于終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)經(jīng)過(guò)接口傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。終端節(jié)點(diǎn)承擔(dān)把傳感器收集的數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線方法傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，當(dāng)上電初始化以后，終端節(jié)點(diǎn)掃描信道，同時(shí)挑選1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)加入，入網(wǎng)以后，處于休眠狀態(tài)，通過(guò)定時(shí)器根據(jù)時(shí)間間隔把其喚醒傳遞數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器。其次，上位機(jī)軟件需要使用Visual C++6 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用來(lái)表示農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如若監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)超過(guò)了預(yù)先設(shè)定的值，那么需要開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的設(shè)備調(diào)整環(huán)境參數(shù)。

3.2 實(shí)踐運(yùn)用操作

將ZigBee 使用在智慧農(nóng)業(yè)中，經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案的制定，進(jìn)行硬件電路和軟件的安裝設(shè)計(jì)之后，就可將其使用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、種植等各個(gè)環(huán)節(jié)中。本文主要是以大棚監(jiān)控系統(tǒng)為例，在設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，可以經(jīng)過(guò)傳感器自動(dòng)采集智慧農(nóng)業(yè)大棚中的數(shù)據(jù)信息，比如溫度、空氣質(zhì)量、濕度以及光照等相關(guān)的數(shù)據(jù)。ZigBee 技術(shù)設(shè)備經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的運(yùn)行將數(shù)據(jù)傳輸在計(jì)算機(jī)上，以便于計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)，然后下達(dá)控制智能大棚中每種設(shè)備的工作。計(jì)算機(jī)在獲得數(shù)據(jù)之后可以形成數(shù)據(jù)折線圖，把數(shù)據(jù)記錄實(shí)施輸入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以此產(chǎn)生棚內(nèi)和土壤環(huán)境的控制方案，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)或是手機(jī)APP 實(shí)施調(diào)整方案，以此保障大棚中土壤環(huán)境可以符合農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求。在實(shí)際工作中，ZigBee 技術(shù)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絑igBee 居于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)在這其中經(jīng)過(guò)了匯總和簡(jiǎn)單分析之后。使用GPRS 子系統(tǒng)或是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，配置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)地址，從而把數(shù)據(jù)記錄輸入事前設(shè)置的數(shù)據(jù)庫(kù)中。計(jì)算機(jī)或是手機(jī)APP 操作端可以依據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)中心分析情況來(lái)調(diào)整數(shù)據(jù)，然后生成實(shí)際的控制各個(gè)階段控制器的方式。數(shù)據(jù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，最后達(dá)到ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。大棚和土壤數(shù)據(jù)信息需要提前設(shè)置好，然后讓相關(guān)的硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在其中可以使用中控芯片，連接方式主要是串口或是模擬串口。數(shù)據(jù)采集之后經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相融，能夠給精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與智慧農(nóng)業(yè)等從概念朝著應(yīng)用發(fā)展提供技術(shù)平臺(tái)，在智慧農(nóng)業(yè)的種植和加工檢測(cè)、以及運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)環(huán)節(jié)都起到了很大的作用。所以相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)積極采用無(wú)線傳感器收集農(nóng)作物生產(chǎn)信息，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在加工生產(chǎn)中監(jiān)測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)品的質(zhì)量，以此避免人工操作的盲目性，準(zhǔn)確引導(dǎo)農(nóng)業(yè)順利生產(chǎn)，提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，讓以人為核心的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變成將信息技術(shù)作為核心的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。