無線傳感網絡技術在農業方面應用

郭 婷

（北京郵電大學 測控技術與儀器專業，北京 100876）

1 無線傳感網絡技術

無線傳感器網絡是由多個節點組成的面向任務的無線網絡，是一種無基礎設施的網絡。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等多種領域技術，能協作地進行實時監測、感知和采集節點部署區域的各種環境或監測對象的信息(如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現象)，并對這些數據進行處理，獲得詳盡而準確的信息，通過無線網絡最終發送給觀察者。觀察者通過獲取的信息進行操作，或者直接通過設置使其智能完成任務。

2 系統設計與關鍵技術

（1）總體分析。運用“傳感器節點及部署+系統軟件+軟件協議及數據處理”三級結構來構建整個監測系統，在該系統中，在測量控制區，采用不同的傳感器節點和具有簡單執行器構成網絡。田地自動灌溉系統通過節點，自動地采集分散于田間的多個不同地方的土壤濕度、溫度、光照等參數，同時實現實現太陽能電池對節點供電，并通過系統處理得到其平均值，并將天氣預報，根據天氣預報中的天氣情況，以及植物的所處的生育期跟采集的參數相結合通過系統分析從而自動控制其灌溉量，并建立數據庫保存其溫度，土地濕度和光照，以利于多年的對比，也實現數據保存，利于生長情況科學分析，同時建立友好的界面，實現自動灌溉系統任何人都能對其進行操作。

（2）節點的設計。傳感器節點是傳感器網絡中最重要組成部分，由于應用的范圍不同，傳感器節點也略有不同，但基本單元的組成是一致的，有傳感器模塊(傳感器以及相關信號調理和數模轉換等)、處理器模塊(CUP、嵌入式操作系統、存儲器)、通信模塊以及能量供應模塊。系統可采用GAINSJ-JN5139節點I/O擴展端口外接傳感器采集濕度，溫度和光強信號。

（3）處理器模塊。由于傳器結點使用電池供電而且必須長期在野外工作，所以在選處理器模塊時低功耗是一個非常重要的技術指標。而JN5139模塊適用于IEEE802.15.4和Zig Bee的軟件應用。芯片集成了一個32位RISC處理器，可充分兼容2.4GHZIEEE802.15.4收發器。并且整個系統的數據傳輸采用Zig Bee解決方案。

（4）傳感器模塊。溫度的測量采用數字式溫度傳感器DS18B20。DS1820直接輸出數字量到從節點，期間不需要經過A/D轉換處理，數據以二進制方式發送到電腦主端后還原成十進制數與設定值做比較，實現主從機的雙向通信。光強的測量采用小型光電池感應光強，測得的電壓經過放大處理傳送到GAINSJ模塊進行A/D轉換，再傳送到電腦進行處理。土壤的濕度使用濕度傳感器SHT10測量，數據以二進制方式發送到電腦主端后還原成十進制數與設定值做比較，綜合光強，溫度控制灌溉的量。

（5）硬件支持部分。如圖1所示，當節點提供5 V開關電壓，繼電器導通，使電壓加載在電磁閥上，電磁閥開啟。當節點撤去5 V電壓時，電磁閥自動關閉。考慮到大部分時間不需要出水灌溉，所以選擇常閉型電磁閥作為本系統的閥門。由于節點IO的電流不足以驅動繼電器工作，而且繼電器內的線圈在斷電后會產生較大的電流，可能引起電流倒灌，燒壞節點單片機，因此，需要為繼電器搭建一個簡單的外圍驅動電路才能正常工作。具體電路圖如下圖所示。

圖1 傳感器電路圖

（6）系統的軟件支持部分。建立個人計算機設計用戶操作界面，采用V.C.6.0實現界面取代外接的鍵盤、顯示器等輸出設備，在實時顯示影響植物生長的各個參數值的同時自動選擇合適的條件灌溉，更為直觀和人性化；1 wsn的數據庫模型采用關系數據庫模型，DBMS的結構采用集中式分布結構或半分布結構。集中式分布結構；各個從節點將數據傳給主節點，主節點不做任何數據處理而是直接將數據傳給上位機中的數據庫里，雖然這樣可以節省節點能源，用c++等高級語言設計用戶界面，同時用嵌入式SQL語句，建立數據庫，以及相應屬性，并用高級語言獲得從節點上傳的數據作為數據庫的元組插入數據庫中，這里要注意各個從節點每隔一段時間上傳采集數據，主節點每隔相同時間收集數據并上傳，用戶的界面再數據庫編程時要設計每隔相同時間更新數據庫，這樣便完成對于各個從節點所在地的信息的實時掌控檢測。

3 系統結構

無線傳感網絡的節點可任意散落在被檢測區域內，以自組織形式構成網絡，各節點與主機通信通過Zig Bee技術實現。同時系統亦可人工控制是灌溉行為，在自動灌溉開啟的情況下，當濕度高于設定值時不進行灌溉；當濕度低于設定值且溫度亦低于設定值時系統自動灌溉，當溫度低于設定值，但溫度高于設定值時，則只有在有強光低于設定值才澆灌。在自動關閉的情形下，值可用人工控制。系統架構圖如圖2所示。

圖2 傳感器系統架構圖

4 結語

此自動化灌溉系統能夠通過對田間的田間溫度，濕度和光照強度采集，以及系統對作物的生育期的判別相結合正確的分析出控制灌水時間、灌水量和灌溉周期，而人的工作僅僅是調整控制程序和檢修控制設備。而且界面上能顯示即時額溫度，濕度和光照強度的平均值。并能手動對灌溉系統實行控制。并且數據庫能保存所有的溫度，濕度和光照強度數據，為以后天氣條件分析提供精確數據。同時節點采用太陽能來節能，避免要經常為節點換能源。田間通過采用自動灌溉系統能提高水的有效利用率，又能節省人力，同時也提高作物的產量，可以產生良好的經濟效果，并且很好的實現創新，將歷史的數據存儲下來，為未來分析提供條件。

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