無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)在農(nóng)田土壤含水率監(jiān)測中的設計分析

熊展　張波

摘 要 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是國家四個現(xiàn)代化的建設任務之一。隨著我國科學技術(shù)的發(fā)展與進步，微電子技術(shù)、無線網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展也日趨成熟。與此同時，以往在農(nóng)田土壤含水率監(jiān)測過程中應用的有線網(wǎng)絡逐漸暴露出弊端。在此基礎上，本文則研究將無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)運用在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測上，以現(xiàn)代化的科學技術(shù)來監(jiān)測農(nóng)田土壤中的含水率，解決傳統(tǒng)農(nóng)田含水率監(jiān)測中存在的問題，促使我國農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化的發(fā)展道路。

【關鍵詞】精細化灌溉 無線傳感器網(wǎng)絡 農(nóng)田 土壤含水率監(jiān)測 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化

21世紀的中國正面臨著水資源約束趨緊的窘迫局面，干旱問題時時侵擾著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，如何實現(xiàn)農(nóng)田精細化的灌溉，不僅是大幅度減少農(nóng)業(yè)用水量、緩解我國水資源緊張的重要手段，更是解決農(nóng)業(yè)干旱問題，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)有效性灌溉的關鍵舉措。無線傳感器相較于有線傳感器在農(nóng)田土壤含水率監(jiān)測中的應用不僅成本較低而且更加實時高效，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究的重要議題，并有待于進一步的發(fā)展和完善。

1 研究背景

我國是全球人均水資源匱乏的國家之一，雖我國的總體水資源儲藏量較大，如長江、黃河的水量都較大，夏季降水量較多等，但由于我國的人口基數(shù)大、農(nóng)業(yè)種植面積大但生產(chǎn)技術(shù)較為落后等其他原因，致使我國的人均水資源量較少。如何提高農(nóng)業(yè)灌溉的有效性、大幅度的減少農(nóng)業(yè)用水，是提高我國人均水資源量，緩解我國水資源壓力的重要舉措。而在此國情下，我國大部分的農(nóng)村在進行農(nóng)業(yè)灌溉時都采取人工式的灌溉方法，單純的依靠以往的灌溉經(jīng)驗，利用水管的進行大幅度、大面積灌溉，不僅在一方面造成了水資源的大量浪費，而且在另一方面農(nóng)業(yè)的灌溉效用也較低，土壤并沒有及時吸收下那么大的水量，當然也就沒有真正解決土地的干旱問題。近年來，隨著我國科學技術(shù)的發(fā)展變化以及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用，我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展逐漸走向了軌道，并為智能化、科學化、規(guī)模化、集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的產(chǎn)生和推廣提供了必要條件和重要前提。

無線傳感器網(wǎng)絡是隨著科學技術(shù)的發(fā)展進步而出現(xiàn)的新型技術(shù)，是集數(shù)據(jù)采集及分析處理于一體的全新技術(shù)，具有低成本、低能耗、及時、高效、可靠的特點。其是由一定監(jiān)測區(qū)域的多個微型傳感器節(jié)點組成，并構(gòu)成一個完整的無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)，并最終把數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送到用戶終端服務器上，作為用戶決策的依據(jù)。將該技術(shù)應用到農(nóng)田土壤含水率的監(jiān)測工作中，在不影響農(nóng)田耕作的前提下，在農(nóng)田土壤中布置多個無線傳感器節(jié)點，連續(xù)、實時、高效的監(jiān)測土壤中的含水率，以便用戶可以準確知道農(nóng)田含水率，并以此為依據(jù)判斷該農(nóng)田的灌溉量，進行及時、有效的灌溉，這樣既節(jié)約了農(nóng)田灌溉用水量，又有利于農(nóng)田灌溉水資源的充分利用，提高農(nóng)田水資源的管概率，促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 關鍵技術(shù)分析

在農(nóng)業(yè)的灌溉技術(shù)中，要想在節(jié)約用水的前提下，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用的高效性，就必須實時、精確的掌握農(nóng)田土壤的含水率，對不同的農(nóng)業(yè)用地加以區(qū)別對待，不同程度含水率的土壤采用不同的灌溉方式和不同的灌溉水量。因此，若想把無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)精準的應用到農(nóng)田土壤含水率的監(jiān)測中，就必須確保數(shù)據(jù)信息傳播的及時準確性，這也就決定了無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，也即WSN技術(shù)是整個系統(tǒng)設計中的關鍵性技術(shù)。

WSN技術(shù)是一種新型的數(shù)據(jù)分析及處理技術(shù)，是無線通信、傳感器和信息處理三大技術(shù)的的融合體。該項技術(shù)具有低成本、低能耗的特點，其雖以普通傳感器為技術(shù)基點，卻是集信息采集、數(shù)據(jù)分析處理、網(wǎng)絡化應用為一身的綜合體，解決了傳統(tǒng)農(nóng)田土壤含水率監(jiān)測技術(shù)中布線困難、成本高、連續(xù)性及實時性較差的缺點。該項技術(shù)在農(nóng)田土壤含水率監(jiān)測技術(shù)的應用中，不僅大大減少了實際工作量和人工測量誤差，更是農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展方向，在有效農(nóng)業(yè)灌溉的基礎之上，提高了水資源的利用率。

3 總體方案設計

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)設計

本文所研究的無線傳感器網(wǎng)絡是基于Zigbee技術(shù)的基礎之上的，該系統(tǒng)主要是由水分感知節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點和計算機控制管理中心三部分構(gòu)成的。水分感知節(jié)點主要是用來搜集土壤水分數(shù)據(jù)的，并通過多條線路利用無線網(wǎng)絡發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點上，網(wǎng)關節(jié)點則把不同線路發(fā)送過來的土壤水分數(shù)據(jù)匯集起來并暫時保存，最終將這些數(shù)據(jù)輸送到計算機控制中心，再由計算機控制管理中心對傳輸過來的信息加以分析處理，以供用戶使用。

在本文所述的農(nóng)田土壤含水率的監(jiān)測中，該適用的無線傳感器網(wǎng)絡主要是基于Zigbee技術(shù)協(xié)議的短程通信傳輸系統(tǒng)，主要是通過水分感知節(jié)點來進行某一監(jiān)測區(qū)域的農(nóng)田土壤含水率的實時數(shù)據(jù)采集，并通過無線網(wǎng)絡通信傳輸給網(wǎng)關節(jié)點，再最終傳輸?shù)接嬎銠C控制管理中心，這樣用戶就可以實時了解農(nóng)田的含水狀態(tài)。

3.2 無線傳感器網(wǎng)絡硬件設計

3.2.1 節(jié)點硬件設計

無線傳感器的網(wǎng)絡節(jié)點主要是用來進行信息的采集及傳輸，在本文所研究的農(nóng)田土壤水分含水率的監(jiān)測中，無線傳感器的網(wǎng)絡節(jié)點的設計和選擇主要考慮了低能耗、低成本、穩(wěn)定精確性等特點，以確保其在實際操作中的切實可行性。基于此，在該農(nóng)田信息監(jiān)測過程中，其網(wǎng)絡節(jié)點采用模塊化的設計方式，主要分為傳感器模塊、信息通信模塊和電源。電源主要是用來打開無線傳感器的網(wǎng)絡節(jié)點，進行正常的工作，傳感器模塊主要是用來搜集土壤的水分數(shù)據(jù)，信息通信模塊則主要是用來進行數(shù)據(jù)信息的無線網(wǎng)絡傳輸，并將其最終傳輸?shù)接嬎銠C控制管理中心。

3.2.2 無線通信模塊選擇

在農(nóng)田土壤的含水率監(jiān)測系統(tǒng)設計中，在選擇無線通信模塊時，最重要的是要保證節(jié)點工作的穩(wěn)定性，因此要選擇低能耗的；在農(nóng)業(yè)的環(huán)境下，要切實保障農(nóng)業(yè)的正常耕作不會受到影響，因此要選擇小巧的；在數(shù)據(jù)信息的傳輸中要保證數(shù)據(jù)的真實有效性，因此在進行無線通信的芯片選擇時，要選擇那些信號好、發(fā)射功率高的；為保證無線傳感網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)土壤含水率運用中的可推廣性，要保證該模塊的低成本性。綜合考慮以上幾點，基于Zigbee技術(shù)協(xié)議的無線通信則是最佳選擇，其不僅應用范圍極為廣泛，且其芯片集成度較高，可靠性高，并具有低能耗的特點。

3.2.3 傳感器的選型

在進行傳感器的選型時，在以實現(xiàn)廣泛推廣的目的前提下，要綜合考慮到傳感器的價格、能耗等因素。在該系統(tǒng)中，水分傳感器是用于信息搜集的，其所搜集信息數(shù)據(jù)的準確性將直接決定了整個系統(tǒng)運用分析的真實可靠性，是該技術(shù)在農(nóng)田土壤含水率監(jiān)測中具有實用性的第一步。因此，在選擇傳感器時，要充分考慮到農(nóng)田的環(huán)境，使得選擇的傳感器不會受到土壤的腐蝕；要充分考慮到農(nóng)田所在的地區(qū)，選擇那些受土質(zhì)影響較小的傳感器；要充分考慮到其對土壤含水率的分辨率，確保傳感器感知土壤含水率的準確性。

3.3 無線傳感器網(wǎng)絡的軟件設計

（1）在該無線傳感器網(wǎng)絡的軟件設計方面，各節(jié)點的軟件設計主要是采用TinyOS 1.1的嵌入式操作系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的操作過程中，運用NesC 語言根據(jù)各節(jié)點的不同特點及其本身的功能和作用編程了各自不同的執(zhí)行程序，一個執(zhí)行模塊由1個TinyOS 程序和多個組件構(gòu)成。

（2）建立新網(wǎng)絡。該新建網(wǎng)絡的工程主要是由Zigbee來實現(xiàn)的，并借助具有Zigbee協(xié)調(diào)能力的設備來促使自身形成一個新的網(wǎng)絡節(jié)點。該網(wǎng)絡節(jié)點做為整個無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡管理和配置都是由其完成的，如為子設備分配網(wǎng)絡地址、進行傳感器節(jié)點通信以及接收其他節(jié)點輸送的數(shù)據(jù)信息等。

4 結(jié)語

在我國的農(nóng)業(yè)大環(huán)境下，無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)田土壤含水率的監(jiān)測中的應用尚還處于起步階段，與國外發(fā)達國家相比，技術(shù)比較落后，再加上我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展本就起步較晚，且我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營多為分散式的農(nóng)村散戶經(jīng)營，因此在農(nóng)業(yè)科技的應用程度上遠不如西方發(fā)達國家的農(nóng)場式規(guī)模化經(jīng)營，這也就決定了無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)信息檢測中的應用有待于進一步的研究開發(fā)。在此過程中，一定要與我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的實際情況相結(jié)合，充分考慮其其在農(nóng)田信息監(jiān)測中的實用性。

參考文獻

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[2]高峰，俞力，張文安等.基于作物水分脅迫聲發(fā)射技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡精量灌溉系統(tǒng)的初步研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24（01）.

作者簡介

熊展（1994-）女， 江西省宜春市人。現(xiàn)在湖南師范大學大學本科在讀。研究方向為傳感器、網(wǎng)絡、通信。

張波（1982-）男， 湖北省武漢市武昌區(qū)人。碩士學位。現(xiàn)為武漢信息傳播職業(yè)技術(shù)學院信息工程系講師。研究方向為 網(wǎng)絡、通信。

作者單位

1.湖南師范大學大學 湖南省長沙市 410000

2.武漢信息傳播職業(yè)技術(shù)學院信息工程系 湖北省武漢市 430000