基于無線傳感器網絡的農田土壤溫濕度檢測

【摘要】通過現代信息處理技術和現代傳感器技術，結合實際農田環境因素，創造出的一種智能檢測系統稱作農田土壤溫濕度智能檢測。本文研究分析了關于常規農田環境溫濕度檢測的方法，根據電測法來設計無線傳感網絡的溫濕度農田環境智能檢測系統模式，以達到有效提高精細農業的灌溉策略和時空差異性的目的。

【關鍵詞】無線傳感器；網絡；農田土壤；溫濕度檢測

1.前言

要改善我國傳統農業的耕作方法就要對現代化農業技術進行改革，通過采用先進的現代科學技術方式對農田種植進行全面推廣，保證農產品的品質與產量穩步提升。采用優秀先進的現代化科技研究成果，有效地提升農業種植的精確性，這樣的方法被稱為科學種田[1]。科學種田的主要特點包括精準管理、精準收獲、精準施肥、精準灌溉、精準播種等，所以要推動我國農業科技進行改革工作就要做好技術產品的研究開發和精確農業技術機制的工作。要著力于這方面的開發，既要具備寬闊的市場前景，又要擁有長久的經濟價值，特別是要推廣和研究農田土壤溫濕度智能檢測的方法，這對合理開發利用未來的水資源具有重要的意義。

2.一般農田土壤溫濕度檢測方法

因為相對于其他環境結構來說，農田土壤環境具有復雜性，它的化學成分和物理性質存在不均一的特性，同時耕種植被對其也有一定影響，從而導致土壤中溫濕度、水分含量的水平分布和垂直梯度產生差異性，所以要采用多點分布和分層測定的方式來測定土壤環境的溫濕度，還要做好周期性測定工作來掌握土壤溫濕度與時間變化的存在規律。以下三種檢測土壤溫濕度的方法是一般人們常用的方法。

（1）直接測定法：

①分離土壤固體部分和水分的方法稱作土壤濕度檢測，這種方法還包括酒精法和重烘干法，它具有簡單、直接的優點，缺點是由于人工取土進行實驗研究而造成勞動強度大、測定過程復雜等。

②直接采用溫度計進行測量，這種方法具有直觀、方便理解的優點，缺點是無法保障其精度性。

（2）GPS田間定位法和遙感法：

當采用這兩種方法時，要把土壤樣品運送到實驗室里進行研究分析工作，它只能研究某一段時間內土壤的溫濕度，無法達到連續檢測的目的。

（3）間接測定法：

測定土壤中氣體體積或物理參數和水分含量的方法，電測法常用于這種方法中，它主要通過土壤溶液導電性和土壤水分的相關聯系來對土壤濕度進行測定；或者通過流經熱敏電阻的電流和土壤濕度變化的聯系來測定土壤溫度[2]。電測法不僅操作方便，而且設備價格低廉，同時可以進行連續定點測試。缺點是精度較低，在高溫條件下容易產生失準現象，而且在測定時需要人工進行觀察，造成布點量減少。

3.采用無線傳感網絡的農田土壤溫濕度智能檢測系統

在采用電測法對農田土壤溫濕度進行檢測時，結合了現代溫濕度傳感技術，這種檢測方法不僅擁有客觀性，人為因素對其造成的原因少，而且還具有可重復性，能夠實現連續測定。同時這種方法與現代通訊技術和電子技術有著密切聯系，可以通過自動化檢測進行實時監測，是實現智能化農田耕種的前提條件。所以，人們要改革創新電測技術，把傳統電測法中運用的溫濕度傳感器調換成擁有先進信息加工、采集、傳遞一體化的無線智能傳感器節點，通過無線傳感技術和ZigBee技術來進行多處布點，以實現全面的土壤溫濕度無線傳感器網絡智能檢測系統。

3.1 無線傳感器網絡技術的簡介

無線傳感器網絡是由無中心節點構成的全范圍分布系統，它采用隨機投放的方法，在監控區域內密集部署所有的傳感器節點。這些傳感器節點包括數據處理單元、通信模塊、傳感器，它們以無線信道為連接點，進行自由相連從而組成了網絡系統。傳感器節點利用自身內置的多形式傳感器，檢測周圍環境產生的紅外聲納、熱量、移動物體的速度、大小、方向等人們所需的物理現象[3]。傳感器節點通過良好的協作能力運用局部交換數據的方式來實現全局任務。流經網關，傳感器網絡還能夠與現有的網絡基礎設備連接上，最終把收集到的信號供遠程終端傳回使用。

無線傳感器網絡的特點包括自組織、分布式、多跳路由、拓撲變化、動態性強等，因為其擁有這些多方位的優點，所以被廣泛運用到醫療、軍事、工業、家庭等領域。

3.2 ZigBee技術簡介

ZigBee是一種先進的低功耗、近距離、低復雜度、低成本的無線網絡技術，它主要在不需要注冊的2.4GHzISM頻段進行工作，以IEEE802.15.4為基礎的ZigBee傳輸范圍在10-75m之間，這是一項被稱為IEEE802.15.4（ZigBee）的IEEE無線個人區域網工作組的技術標準[4]。它的優點有低成本、低功耗、信息安全、網絡容量大等，同時存在典型的傳輸數據類型，主要包括重復性低反應時間數據、間歇性數據、周期性數據。

3.3 農田土壤溫濕度智能檢測系統模型

農田環境信息智能檢測系統模型主要核心部分是無限傳感網絡技術和ZigBee無線收發技術。通過無限傳感器網絡傳遞和收集農田環境信息，結合遠程數據處理系統研究分析所采集的數據，最終達到科學耕作的目的。

3.3.1 分析系統需求

在創建檢測網絡系統時，要仔細、綜合的研究農田環境的特點和所需要求，有效運用其自身優點，防止運用其缺點。無線傳感器網絡的農田環境檢測系統存在的特點有通過利用環境的可知性，得知農作物的固定生育周期，利用環境的動態變化性，開發充足的太陽能資源等。此外，在系統模型建立時還需要認真考慮的條件，包括任何農業機械的田間作業和各種天氣條件以及家禽的活動。

3.3.2 設計系統模型

通過研究分析以上應用特質，汲取國外研究分析的經驗和結果，創建先進的農田土壤溫濕度智能系統模型結構。由遠程數據處理中心和無線傳感器監測網絡組成監測系統，無線傳感器監測網絡再通過位于農田中的多個智能傳感器節點構成，進行收集土壤水分，并記錄溫度參數，以構建Mesh網絡的ZigBee無線通信協議。所有節點參數最后傳輸至網關節點，可以把太陽能電池板運用到檢測網絡供電的所有節點中，遠程數據中心主要負責分析、接收、儲存數據。

一臺具有固定公網IP地址的計算機可以作為遠程數據中心，其中采用的基站數據管理軟件功能包括：達成數據的分析、儲存、決策、接收，從而完成對應的控制過程。它的技能板塊包括數據庫存儲模塊，數據接收模塊，監測量空間變異分析模塊，檢測量時間變化分析模塊，還可以設置操控其它農業機械的運行模塊。

4.結語

綜上所述，要實現科學耕作必須開發先進的農田環境智能檢測技術，本文通過對電測法進行描述，結合先進的ZigBee技術和無線傳感器技術進行調試修改，創建出有效的農田土壤溫濕度信息智能檢測模型，從而進一步提升農田環境信息智能檢測技術，最終達到科學耕作、精細種植的重要目的。

參考文獻

[1]李楠，劉成良，李彥明等.基于3S技術聯合的農田墑情遠程監測系統開發[J].農業工程學報，2010，26（4）：169-174.

[2]龐娜，程德福.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室監測系統設計田吉林人學學報：信息科學版，2010，28（1）：55-60.

[3]郁曉慶，張增林.基于STC89C52和GSM的灌溉遠程監控系統[J].節水灌溉，2011，11（4）：55-57.

[4]孫玉文，沈明霞，陸明洲等.無線傳感器網絡在農業中的應用研究現狀與展望[J].浙江農業學報，2011，15（03）：300-301.