空中農(nóng)業(yè)無線傳感網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

李鑫 張黎黎 肖文 易金 劉文達(dá)

摘要：針對水稻生長密集、環(huán)境復(fù)雜、種植面積大、難以實(shí)現(xiàn)人工入田信息采集等問題，基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建水稻環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。采用藍(lán)牙低能耗（BLE）通信以多旋翼無人機(jī)為中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組網(wǎng)來收集感知層數(shù)據(jù)，并且可以通過云服務(wù)器進(jìn)行匯集、可視化、存儲，實(shí)現(xiàn)了大面積、遠(yuǎn)距離、低功耗的水稻生長環(huán)境監(jiān)測。結(jié)果表明，在同等條件下，使用該監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)收集方式相比，收集便捷、性價比高。該檢測系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)相對簡單而且實(shí)用性高、成本較低、可靠性較好，能夠滿足稻田作物生長生理性狀與產(chǎn)量關(guān)系環(huán)境信息監(jiān)測的要求，可在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中智能化地采集到高分辨率的環(huán)境信息，采集節(jié)點(diǎn)單次使用壽命滿足水稻生長周期要求，能夠有效提高農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理的現(xiàn)代化程度和普及程度。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙低功耗;多旋翼無人機(jī);智慧農(nóng)業(yè);自組網(wǎng);環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號： TP274;S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2021）16-0200-04

“智慧農(nóng)業(yè)”是進(jìn)入21世紀(jì)的第2個10年，在新一代信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，結(jié)合當(dāng)前世界范圍內(nèi)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)和我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要，提出引領(lǐng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新理念。它是基于信息技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)田精耕細(xì)作技術(shù)[1-2]?？焖?、準(zhǔn)確地監(jiān)測水稻生長環(huán)境、長勢狀況是作物栽培調(diào)控和生產(chǎn)管理的核心內(nèi)容，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理部門制定決策、施行措施的重要依據(jù)，及時獲取農(nóng)業(yè)現(xiàn)場信息是進(jìn)行現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理的重要基礎(chǔ)，這就需要有更快捷、準(zhǔn)確度更高、成本更低廉和多元化信息的支持[1]。進(jìn)行感知數(shù)據(jù)匯聚、處理通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)獲得的與農(nóng)田生產(chǎn)相關(guān)的客觀數(shù)據(jù)[2]。進(jìn)而借助生產(chǎn)管理人員的經(jīng)驗(yàn)和智慧來利用好客觀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出科學(xué)、節(jié)本、增效的管理決策，再通過精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行部署，從而獲得更高的綜合效益和穩(wěn)定性[3]。

多旋翼無人機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、價格相對低廉的特點(diǎn)，逐漸應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[4]。結(jié)合無人機(jī)的特點(diǎn)提出一種適用于水稻田環(huán)境的空中農(nóng)業(yè)無線傳感網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可作為規(guī)?；c集約化農(nóng)業(yè)推動節(jié)本、增效，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的示范實(shí)例。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于藍(lán)牙低能耗（BLE）技術(shù)的傳感網(wǎng)，主要分為主機(jī)和從機(jī)2個部分，整個系統(tǒng)是由抗高濕傳感器節(jié)點(diǎn)、無人機(jī)（UAV）中繼器、云端平臺、移動端組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

1.1 總體方案

抗高濕傳感器使用耐候性能較好的亞克力板作為外殼材料密封核心電路，使核心部分與外界完全隔離。對于傳感器部分的防濕處理，采取膠體密封管腳的方式，使它與外部隔離，而傳感器與主控部分連接的導(dǎo)線，采用熱縮管密封[6]。根據(jù)具體情況再在外殼內(nèi)加入適量的干燥劑來去除水汽（圖2）。

采用QAV-250小型四旋翼穿越機(jī)為平臺搭載主機(jī)通信裝置和SD（安全數(shù)碼）卡存儲模塊作為空

中網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接口。通過在稻田環(huán)境中接地飛行與田間數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[7]。它只承擔(dān)感知層數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā)，并在移動過程中暫存這些數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)通過機(jī)載通用無線分組業(yè)務(wù)（GPRS）匯集至云服務(wù)器進(jìn)一步處理（圖3）[8]。

采用OneNET 平臺輔助分析中繼節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)（圖4），使用平臺配套APP（應(yīng)用程序）可定制相關(guān)應(yīng)用，方便實(shí)時查看（圖5）[9]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

為簡化設(shè)計(jì)和接線方便，溫濕度采集使用單總線的DHT1 并采用DS18B20作為輔助溫度測量，

抗高濕傳感器如圖2。DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，測溫范圍極其寬泛（圖6）。

2.2 存儲模塊

從機(jī)采用EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器）存儲芯片用IIC（集成電路）總線方式和CC2541通信，主機(jī)用1G大小的SD卡存儲從機(jī)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。

2.3 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙主控芯片是TI的CC2541，此芯片是 2.4 GHz 符合低能耗規(guī)范和私有的RF片載系統(tǒng)。它支持250 kb/s、500 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s的數(shù)據(jù)速率，可同時掛載多個不同類型的傳感器模塊。

2.4 GPRS模塊

（1）主控芯片 CC2541 通過向GPRS模塊發(fā)送AT（指令）上傳數(shù)據(jù)AT+CIPSTART=“TCP”，“syau123.bj.bdysite.com”，“80”;AT+CIPSTART 建立連接;AT+CIPSEND。

（2）GPRS以POST方式發(fā)送數(shù)據(jù)[8]。數(shù)據(jù)采集以及無線通信和執(zhí)行控制都由CC2541實(shí)現(xiàn)。

需要注意的是 CC2541 芯片的工作電壓為 3.3 V，為實(shí)現(xiàn)電源的匹配須設(shè)計(jì)電源匹配電路完成 5.0 V 到3.3 V 的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)中為主機(jī)增加了升壓模塊，其電路如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 藍(lán)牙主機(jī)

傳感網(wǎng)主機(jī)采用基于OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）的CC2541片載系統(tǒng)[10]。系統(tǒng)開機(jī)初始化進(jìn)入搜索發(fā)現(xiàn)模式，搜索地面從機(jī)信號。設(shè)備發(fā)現(xiàn)完成后系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式，建立連接開啟數(shù)據(jù)鏈路接收數(shù)據(jù)，通過SPI（串行外設(shè)接口）通信存儲所收集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完成后由從機(jī)斷開連接，鏈路關(guān)閉，延遲等待300 ms重啟搜索發(fā)現(xiàn)模式并且屏蔽該設(shè)備地址避免重復(fù)接收。機(jī)載的GPRS可以將暫存在片載flash中的數(shù)據(jù)備份上傳至云服務(wù)器由OneNET平臺可定制應(yīng)用做可視化分析處理（圖8）。

3.2 藍(lán)牙從機(jī)

系統(tǒng)上電初始化進(jìn)入休眠模式開啟廣播，調(diào)用周期采集事件，等待主機(jī)進(jìn)入廣播范圍進(jìn)行連接，配對成功與主機(jī)建立連接，藍(lán)牙由廣播模式切換為數(shù)據(jù)傳輸模式，開啟數(shù)據(jù)鏈路上傳采集數(shù)據(jù)，已上傳數(shù)據(jù)等待被復(fù)寫?？紤]到日常為日間作業(yè)，所以通過定時器周期喚醒系統(tǒng)節(jié)省電量（圖9）。

3.3 OneNET平臺

OneNET是由我國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，平臺能夠幫助個人或企業(yè)快速部署設(shè)備，實(shí)現(xiàn)接入與連接，輕松完成產(chǎn)品開發(fā)部署，提供綜合性的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

OneNET平臺會提供設(shè)備全生命周期管理相關(guān)工具，它幫助開發(fā)者快速實(shí)現(xiàn)成規(guī)模的設(shè)備的云端管理;它具有開放的API（應(yīng)用程序編程接口）接口，推進(jìn)個性化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建（圖10）[11]。

4 測試分析

在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)道南試驗(yàn)田進(jìn)行測試試驗(yàn)，共有9塊試驗(yàn)田，設(shè)置2個采集節(jié)點(diǎn)，采集時間為2016年7月20—26日，采樣周期為100 s，使用無人機(jī)搭載主機(jī)，飛過節(jié)點(diǎn)上空接收數(shù)據(jù)，存儲在SD卡中，采集同一時間2個節(jié)點(diǎn)的溫度和濕度。由圖11、圖12可以看出，溫度和濕度曲線變化趨勢基本一致，并且2個節(jié)點(diǎn)所測2 000組溫濕度數(shù)據(jù)偏差不大，誤信率約為4%。通過器件數(shù)據(jù)手冊得到在理想條件下器件工作的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括不同工作狀態(tài)的工作電流、傳輸距離、傳輸速率。在完成整機(jī)裝配的情況下，由于地上采集節(jié)點(diǎn)需要聯(lián)網(wǎng)，所以會出現(xiàn)延遲等待（圖13），可以看出建立連接需要 1 600 s 延遲，斷開連接需要300 s延遲，數(shù)據(jù)延遲為10 s。在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)用多次測量取平均值的方法，測得系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)的工作電流如圖14所示，可知在采集狀態(tài)下工作電流偏差為1.4 mA，在接受狀態(tài)下偏差為1.8 mA，在發(fā)送狀態(tài)下偏差為 1.8 mA，在休眠狀態(tài)下偏差為0.544 mA。在最大功率下測得有效傳輸距離和在最大功率、不同距離下的平均傳輸速率監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸速度如表1所示，可以看出實(shí)際傳輸距離為3.0 m，理論值為12.5 m，因?yàn)榇谁h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在3.0 m以上，丟包率和錯誤率較高，使準(zhǔn)確率較低。數(shù)據(jù)傳輸速度為 3.2 KB/s，理論上傳輸速度為 4.5 KB/s，偏差為1.3 KB/s。在實(shí)測環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)溫濕度信號的采集，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳輸穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期對于水稻環(huán)境監(jiān)測的目的。

5 結(jié)論

本研究從硬件和軟件2個方面介紹基于無人機(jī)中繼平臺的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用多旋翼無人機(jī)作為中繼節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建水稻環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大面積、遠(yuǎn)距離、低功耗的水稻生長環(huán)境監(jiān)測。該設(shè)備將CC2541芯片作為主控，依托光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等模塊采集水稻田生長環(huán)境信息，并處理、存儲、傳輸[12]。采用核心芯片與諸多傳感器分離的思想，有效地將作品核心部分遠(yuǎn)離高溫、高濕的環(huán)境。使用多個紐扣鋰電池供電，加之藍(lán)牙4.0自身的低功耗性質(zhì)，使其具有超長的工作時間。同時，考慮到稻田區(qū)域分布分散，同時使用多架無人機(jī)時數(shù)據(jù)不易匯集的情況，為空中中繼節(jié)點(diǎn)添加了GPRS上傳數(shù)據(jù)匯集在云服務(wù)器上的功能。該監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)可以克服空間和距離限制，提高自組網(wǎng)靈活性，大幅度延伸傳感網(wǎng)覆蓋程度。

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