基于ZigBee網絡的渭南智慧農業平臺關鍵技術研究

朱創錄

（1.渭南師范學院數學與信息科學學院，陜西渭南 714099；2.渭南市智慧城市工程技術研究中心，陜西渭南 714099）

【信息科學與工程研究】

基于ZigBee網絡的渭南智慧農業平臺關鍵技術研究

朱創錄1，2

（1.渭南師范學院數學與信息科學學院，陜西渭南 714099；2.渭南市智慧城市工程技術研究中心，陜西渭南 714099）

針對設施農業地理位置分布較廣，精細農業應用具有作物類型與地勢多樣、受干擾因素多等特點，為了建設具有較強環境適應性的智慧農業信息平臺，必須解決無限傳感器網絡節點能耗、節點通信效率等問題，通過對面向精細農業的無線傳感器網絡組織結構和網絡進行研究，結合渭南市智慧農業的實際應用環境，設計了基于ZigBee網絡的渭南智慧農業平臺，通過仿真實驗驗證了無線傳感器網絡的實際通信效果.

無線傳感器網絡；ZigBee；農業應用；智慧農業

渭南市是陜西省主要農業城市，是西安市的菜園子、果園子，該地地域遼闊、地形復雜、氣候多變，正因如此，如何在有限的農田資源基礎上，借助先進的科技手段提高農田的生產效率、經濟效益與環境效益已經成為亟待解決的問題.目前，以現代信息技術與農業技術融合為特點的“農業”技術成為解決以上問題的關鍵支撐技術之一，其核心是利用信息技術精確、及時地獲取地塊中每個小區土壤、環境與作物的信息，診斷作物的長勢和產量在空間上差異的原因，并對每個小區作出決策，準確地在每個小區上記性灌溉、施肥、噴藥等，以達到最大限度提高水、肥等的利用率，增加產量，減少環境污染.

無線多媒體傳感器網絡（WMSNs）是20世紀發展起來的一種無線自組織網絡，是物聯網的關鍵組成部分，因此，智慧農業解決方案集先進的物聯網工程信息平臺、新興現代農業、移動互聯網和物聯網技術為一體，依托部署在農業生產現場的各種傳感節點（環境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等）和無線通信網絡實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析、智能控制等［1］，為農業生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策平臺.

1 基于光載無線交換技術的渭南智慧農業系統設計

智慧農業系統包括：物聯網工程信息平臺、環境監測系統、智能控制系統、數據中心、生產追溯系統、遠程農業監控系統等.基于物聯網工程信息平臺的智慧農業系統架構如圖1所示.

在農業大棚部署各種用途的傳感設備，如溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、土壤水分傳感器等，采集農作物生長環境的各種參數［2］.傳感設備采集到的數據通過無線傳感網絡（ZigBee）等傳輸給中間層WiFi／無線傳感網關，WiFi／無線傳感網關將采集到的信息進行過濾、分組、關聯、聚合等操作，形成TCP／IP數據包，通過物聯網工程信息平臺及有線計算機網絡上傳到數據中心［3-4］；數據中心將數據進行整理、分類，保存在數據服務器上，并根據農業專家系統對各類控制設備實施控制，達到對溫濕度、光照、土壤水分、土壤肥力、環境通風的智能控制；數據中心將各類數據和設備狀態信息通過網絡發布出去，提供本地、遠程的數據訪問及設備控制，達到遠程監控農業生產過程；數據中心還將農作物生長及生產過程中的各種數據分類保存，以實現對農產品的安全追溯及產品生產過程的追溯.

圖1 基于物聯網工程信息平臺的智慧農業系統架構

2 系統關鍵技術分析

基于物聯網工程信息平臺的智慧農業系統核心部分是數據的采集以及在復雜環境下的傳輸問題.其中，信息采集系統采用傳感器采集土壤信息，包括土壤水分含量和溫度［5-6］.無線傳感器網絡基于ZigBee協議采用CC2430無線收發模塊收集土壤信息，并采用nRF905無線芯片采集和傳輸信息.

2.1 系統結構

無線傳感器節點采用了模塊化設計方法.地上無線傳感器網絡的體系結構如圖2所示.無線傳感器采用nRF905無線射頻芯片代替CC2430芯片.每個節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成.

圖2 無線傳感器網絡的體系結構

網絡拓撲結構是網絡的基礎.一個好的網絡拓撲結構應考慮具體的應用，有一個簡單的、可靠的和有效的實施方案.所提出的設計應結合地上和地下無線傳感器網絡結構.傳統的無線傳感器網絡適用于地面40 cm以上的高度，無線地下傳感器網絡適用于地面40 cm以下的深度.無線傳感器接收節點是在地面上的.無線地下傳感器網絡中所有的節點將數據傳輸到地面的接收節點，從而更好地隱藏網絡［7］.一個無線地下傳感器節點的位置取決于具體應用.它可以位于同一深度、不同的深度或不同的層.接收節點可以是固定的或可移動的，但必須保持在通信范圍內.拓撲結構如圖3所示.

圖3 拓撲結構

2.2 部署和節點的連接

實時監測土壤含水量，信號采集節點是埋在土壤下面的耕作層.混合無線傳感器網絡節點傳感器的部署如圖4.

圖4 混合無線傳感器網絡節點部署

對獨特的信道特性和無線傳感器異構網絡的結構進行復雜的連通性分析.特別是有三條基于發射機和接收機位置的通信信道，地上對地下、地下對地上、地下對地下［8］.

如圖5所示，一個無線地下傳感器網絡由部署在傳感區域的地下傳感、設置在感應場周圍的固定地面數據接收器以及由人或機器扮演的數據移動接收器組成.

圖5 無線地下傳感器網絡部署

3 分析及結論

由于在農業中會遇到不同的地形和環境條件，所以需要一個適應環境的永久性無線地下傳感器網絡解決方案.無線地下傳感器網絡應是快速準確地提供不同深度土壤含水量的信息.本研究提供了一些關于農業領域方面遠程實時監控網絡的部署技術細節.當無線傳感器節點被埋時，有兩種方式實現電磁波信號傳播：一是通過土壤直接滲透，另一種是無線地下傳感器網絡節點之間進行通信.

通過無線地下傳感器網絡節點的建模、設計、測試，研究土壤參數、節點深度、信號頻率對傳輸過程中信號衰減的影響.預計此信息將對無線地下傳感器網絡系統的發展有很大的幫助.當無線地下傳感器網絡節點發送土壤信息時，反射、散射和衍射可能同時發生在土壤和土壤與空氣之間的界面中.電磁波信號頻率受此影響.此外，農業環境不斷變化，土壤水分的含量對路徑損耗有顯著的影響.當要部署地下傳感器節點時，其深度必須既經濟又最大限度地減少信號的路徑損耗.

peplinski原則定義一種電磁波在土壤中復雜的傳播常數γ=α+Jβ，ω=2πF是角頻率，μ是磁導率，ε′和ε″分別是介電常數的實部和虛部，見公式（1）.

從式（1）得出，電磁波在土壤中復雜的傳播常數取決于頻率、土壤的粘土礦物、堆積密度、砂和土壤體積水含量.因此，路徑損耗也取決于這些參數.

在實驗中，假設土壤的成分是15%的粘土，35%的淤泥，50%的砂顆粒.堆積密度為1.5 g／cm3，固體土粒密度2.6 g／cm3.并使用三個不同頻率的射頻模塊nRF905.信號強度的衰減和誤比特率在不同土壤體積含水量（vwcs）5%、10%、15%、20%和25%中測量.每個頻率的路徑損耗在無線地下傳感器網絡不同部署深度（H）：0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8和2 m中測量.

路徑損耗是接收信號強度與源信號強度相比的衰減，是反映無線電磁信號傳輸的效率.用matlab探討路徑損耗和參數如工作頻率、節點的部署深度、體積水含量之間的關系.圖6顯示了不同頻率信號的路徑損耗與土壤水分含量的函數關系，圖7顯示了無線信號誤碼率與土壤水分含量的函數關系.

圖6 不同頻率信號路徑損耗與土壤水分含量關系

圖7 無線信號誤碼率與土壤水分含量關系

這些結果表明：

（1）目前正在研究無線地下傳感器網絡采集土壤中的環境信息.擁有嵌入式處理器的地下傳感器節點進行收集、傳輸、存儲和顯示土壤特性參數.節點滿足低功耗低成本和高可靠性的要求，能提供實時土壤性能監測.

（2）路徑損耗和無線電信號誤碼率的測定是通過三個射頻功能模塊的體積含水量函數，每一個都有不同的載波頻率.結果表明，土壤衰減和比特錯誤率最小為在低含水量土壤中傳輸的低頻信號.

（3）在433 MHz的頻率下，路徑損耗受無線地下傳感器網絡節點部署深度的影響.結果表明，可以選擇合適的深度實現最小化的信號衰減.

（4）與人工監測土壤性質相比較，無線傳感器網絡提供了更好的實時土壤性質監測，是節水農業應用的基礎.

［1］邢偉偉，白瑞林.IEEE 1588時間同步在ZigBee低功耗中的應用［J］.自動化儀表，2012，33（11）：256-262.

［2］韋佳，何磊，顧曉峰，等.ZigBee無線多區域監測系統設計［J］.自動化儀表，2012，33（11）：89-92.

［3］周益明.基于無線傳感器網絡的溫室群監測與控制系統的關鍵技術研究與實現［D］.杭州：浙江大學碩士學位論文，2009.56-78.

［4］杜治高，王玉斌，冒亞明，等.基于物聯網的油庫安全管理信息系統研究［J］.微型機與應用，2012，31（22）：7-9.

［5］王偉.無線傳感器網絡若干關鍵技術研究［D］.武漢：華中科技大學碩士學位論文，2011.87-99.

［6］李玉凱.無線傳感器網絡高能效可靠數據傳輸理論及應用研究［D］.北京：華北電力大學碩士學位論文，2011.12-26.

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［8］朱創錄.SNMP管理模型下的網絡流量監視與控制［J］.計算機技術與發展，2013，23（8）：223-226.

【責任編輯 牛懷崗】

Research on Weinan Wisdom Agriculture Platform Based on the ZigBee Network

ZHU Chuang-lu1，2
（1.School of Mathematics and Information Sciences，Weinan Normal University，Weinan 714099，China；2.Weinan Wisdom City Engineering Technology Research Center，Weinan 714099，China）

Agricultural facilities location has the features，such as，a wide distribution，fine agriculture application with crop types and diverse topography，many disturbance factors.In order to build the strong environment adaptability intelligent agricultural information platform，some problems about wireless sensor network node power consumption，efficiency of node communication must be solved.Based on wireless sensor network for precision agriculture research in the form of organizational structure and networking，which is adaptive to the application environment of Weinan wisdom agriculture，Weinan wisdom agriculture platform is designed upon the ZigBee network and it proves the practical communication effect of wireless sensor network through the simulation experiment.

wireless sensor network；ZigBee；agriculture application；wisdom agriculture

TP399

A

1009-5128（2014）19-0039-05

我校張修興博士獲第56批博士后基金資助

2014-06-22

陜西省教育廳科研專項資金資助項目：無線多媒體傳感器網絡博弈路由算法研究（2013JK1085）；渭南師范學院科研計劃項目：智慧農業平臺下的食品安全智能移動檢測系統的研究與設計（14YKS005）

朱創錄（1977—），男，陜西興平人，渭南師范學院數學與信息科學學院副教授，工學碩士，主要從事智慧城市平臺及語義Web研究.

2014年9月11日，中國博士后科學基金會公布了中國博士后科學基金面上資助第56批獲得資助人員名單，其中我校物理與電氣工程學院副教授張修興博士的“非平衡自旋系統量子失協研究（編號2014M562387）”獲得二等資助，資助金額5萬元.