無線傳感器在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用

龔光軍，謝 暴，徐 娟

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,合肥 230051； 2.合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,合肥 230009)

無線傳感器在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用

龔光軍1，謝 暴1，徐 娟2

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,合肥 230051； 2.合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,合肥 230009)

采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控農(nóng)田環(huán)境可以為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供決策支持。結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計(jì)和建立一個(gè)能夠同時(shí)對大氣溫度、大氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、水溫、光照強(qiáng)度、CO2體積分?jǐn)?shù)、pH值等8個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測平臺，通過對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)以及軟硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)作物各種生長情況信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測和預(yù)測分析。通過各項(xiàng)功能和性能測試，系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)穩(wěn)定可靠。

傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)控；農(nóng)業(yè)

0 引言

在精細(xì)農(nóng)作和現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，怎樣利用信息技術(shù)，采用精細(xì)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的方法，針對農(nóng)作物的實(shí)時(shí)生長情況來管理，更好地收集農(nóng)作物生長的周邊環(huán)境信息，從而達(dá)到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對信息收集和感知的需求，提高資源的利用率，促進(jìn)生產(chǎn)力水平，是當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵問題[1-2]。與傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)相比較，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各種惡劣環(huán)境監(jiān)測場合均具有其特殊的優(yōu)勢[3]。通過應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?yàn)檗r(nóng)田信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理、分析提供集成化解決方案，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在各個(gè)時(shí)期的精準(zhǔn)管理和預(yù)測預(yù)警，具有廣闊的應(yīng)用前景和研究意義[4]。

近年來，大量學(xué)者已經(jīng)開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究。劉卉等[5]設(shè)計(jì)了一種基于規(guī)則網(wǎng)格的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)部署方法，為農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中傳感器節(jié)點(diǎn)的合理布局規(guī)劃提供了理論依據(jù)。孫彥景[6]等研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的智能化和自動(dòng)化運(yùn)作。何勇等[7]對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)層次分別展開了系統(tǒng)分析，提出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究方向，展望了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的發(fā)展趨勢。徐興等[8]針對山地橘園里面生長環(huán)境氣候復(fù)雜多變以及時(shí)空變異大的情況，通過對園內(nèi)無線監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化和試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了橘園各種生長環(huán)境信息的監(jiān)測。

這些學(xué)者的研究多關(guān)注于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，也就是說更多的在于驗(yàn)證農(nóng)田環(huán)境中各類環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)在傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)往往會(huì)有一些奇異數(shù)據(jù)被發(fā)送和傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器內(nèi)。事實(shí)上，為了更準(zhǔn)確地表達(dá)環(huán)境參數(shù)的變化情況，對于這些數(shù)據(jù)，在一般的使用過程中，只需進(jìn)行濾波處理即可，而在其他一些比較特殊的應(yīng)用中，卻需要特別關(guān)注與分析。對于這方面的要求，則需要系統(tǒng)提供對所有傳感器數(shù)據(jù)的分析功能。

鑒于此，本文結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計(jì)和建立一個(gè)能夠同時(shí)對大氣溫度、大氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、水溫、光照強(qiáng)度、CO2體積分?jǐn)?shù)、pH值等8個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長情況信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測和分析，為應(yīng)急指揮做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)儲備，并找出環(huán)境變化給農(nóng)作物生長帶來影響的規(guī)律，為農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)的決策提供了科學(xué)依據(jù)。本文研究結(jié)果應(yīng)用在江蘇常州武進(jìn)區(qū)龍?zhí)逗柲墁F(xiàn)代溫室，性能可靠，同時(shí)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有本質(zhì)區(qū)別。歸納起來，必須包括以下特性：

1)結(jié)合農(nóng)田環(huán)境信息和作物生長信息，系統(tǒng)需滿足見表1所示的環(huán)境信息測量項(xiàng)目與范圍，并保證其可靠性。

2)拓展性強(qiáng)，可隨時(shí)根據(jù)需要加減傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和位置。

3)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，監(jiān)測范圍較廣，能量消耗低，運(yùn)行時(shí)間長，200 m以內(nèi)距離節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中對環(huán)境監(jiān)測的要求。

4)系統(tǒng)鋪設(shè)需簡潔方便，且不需要鋪設(shè)者有過高的專業(yè)技術(shù)，能適應(yīng)各種植被覆蓋的惡劣農(nóng)田環(huán)境。

表1 系統(tǒng)測量的環(huán)境參數(shù)與范圍

基于以上分析，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由4部分組成，分別為傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、GPRS模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。由于農(nóng)田環(huán)境內(nèi)可能存在較多的植被障礙物，且傳輸距離較遠(yuǎn)，選擇樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)以滿足測量要求，設(shè)置1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊并接收數(shù)據(jù)，如圖1所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)：由終端節(jié)點(diǎn)(End Device)與路由節(jié)點(diǎn)(Router)構(gòu)成。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集空氣與土壤的實(shí)時(shí)溫度、光照強(qiáng)度、濕度以及CO2的體積分?jǐn)?shù)等環(huán)境參數(shù)，并發(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)則具備數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的初始化，接受所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同要求將這些數(shù)據(jù)在本地處理后，經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。

GPRS模塊：負(fù)責(zé)接收從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的串口數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP封裝后，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到Internet，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺：由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和中央計(jì)算機(jī)兩部分組成，在服務(wù)器上部署相關(guān)服務(wù)，用于連通遠(yuǎn)程終端成員提供數(shù)據(jù)服務(wù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺首先要負(fù)責(zé)進(jìn)行系統(tǒng)的用戶管理，實(shí)現(xiàn)用戶添加、查詢和刪除功能；其次，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和顯示，并將接收到的數(shù)據(jù)繪制成為動(dòng)態(tài)曲線，通過分析后對環(huán)境參數(shù)采取閾值設(shè)置，如果出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)超出設(shè)置范圍的情形時(shí)提示報(bào)警信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)作物的生長環(huán)境，最后要負(fù)責(zé)在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)“底層傳感器—網(wǎng)絡(luò)—遠(yuǎn)程監(jiān)控”的結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用基于Zigbee的通信協(xié)議，載波頻段為2.4 GHz，節(jié)點(diǎn)間距約為50～100 m，每個(gè)子網(wǎng)由20～40個(gè)數(shù)量不等的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。由于系統(tǒng)工作環(huán)境為室外農(nóng)田，天氣復(fù)雜多變，因此，使用4節(jié)1.5VAA電池供電，并利用穩(wěn)壓芯片使工作電壓穩(wěn)定在3V，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)由太陽能供電和干電池供電，保證其工作電壓為12 V；節(jié)點(diǎn)MAC層使用CSMA/CA協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層則使用洪泛協(xié)議。

傳感器節(jié)點(diǎn)由4個(gè)模塊組成，分別為傳感器模塊、無線通信模塊、處理器模塊和電源模塊。傳感器模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，無線通信模塊負(fù)責(zé)無線通信，交換控制信息等。處理器模塊負(fù)責(zé)存儲和處理各種數(shù)據(jù)，電源模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)運(yùn)行提供能量。圖2為傳感節(jié)點(diǎn)的組成框圖。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括3個(gè)模塊，即串口模塊、無線收發(fā)模塊和電源管理模塊。其中，無線射頻模塊接收由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)處理，最后將數(shù)據(jù)傳輸給串口模塊。串口模塊除了與GPRS模塊進(jìn)行通信，我們還需要頻繁的使用串口模塊進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。本文中選用RS232作為串口模塊的電器標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)框圖

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)物如圖4所示。圖4(a)圖為傳感器節(jié)點(diǎn)，集成了數(shù)顯式溫濕度一體傳感器，數(shù)字式光照傳感器，pH復(fù)合電極以及MG811型CO2體積分?jǐn)?shù)傳感器，可以實(shí)時(shí)采集大氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度、光照強(qiáng)度、CO2體積分?jǐn)?shù)、水溫和pH值等環(huán)境數(shù)據(jù)，并且轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。圖4(b)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，它是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點(diǎn)，主要完成搭建和管理ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的一些任務(wù)。

(a)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

(b)傳感器節(jié)點(diǎn)圖4 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)物

系統(tǒng)被部署在江蘇常州武進(jìn)區(qū)龍?zhí)逗柲墁F(xiàn)代溫室中，如圖5(a)所示。為了使通信質(zhì)量得到保證，將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在長約2 m的支架上，如圖5(b)所示。因?yàn)榫嚯x比較遠(yuǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)時(shí)采用了多跳方式，試驗(yàn)過程中跳數(shù)最多為5，通信距離約為300 m。

(a)溫室環(huán)境

(b)節(jié)點(diǎn)部署圖5 系統(tǒng)部署在江蘇常州武進(jìn)區(qū)龍?zhí)逗柲墁F(xiàn)代溫室

在溫室內(nèi)選取中部較為空曠的位置，安裝協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊，選擇位置主要考慮到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，所以選擇較為中間的位置。另外，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行多次調(diào)試，因此還需考慮位置空曠、方便操作的位置進(jìn)行安置。而傳感器節(jié)點(diǎn)則按照所測量的參數(shù)不同，分別分布在溫室內(nèi)的各個(gè)地區(qū)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件總體架構(gòu)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。其中，下位機(jī)軟件傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能是控制所搭載的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量，將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，除此之外，還需做到發(fā)送時(shí)間間隔的可調(diào)性。同傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)類似，傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)也分為3個(gè)部分，分別為傳感器測量程序、數(shù)據(jù)傳輸程序與電源管理程序。

系統(tǒng)下位機(jī)程序在硬件完成后已燒寫至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)中，在此不做贅述.系統(tǒng)上位機(jī)軟件即農(nóng)田環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺主要包括的功能有：用戶管理、節(jié)點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、預(yù)測分析等。

其中實(shí)時(shí)監(jiān)測是其中最核心的功能界面之一，如圖6所示。界面左側(cè)是一張放大的曲線圖，用于顯示參數(shù)圖像。界面右側(cè)是設(shè)置信息框，用戶可以選擇節(jié)點(diǎn)一、節(jié)點(diǎn)二、節(jié)點(diǎn)三的任意一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可以選擇系統(tǒng)內(nèi)8種參數(shù)中的任一種參數(shù)。在圖中可看到，不同的曲線圖分別顯示不同節(jié)點(diǎn)的溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在一張曲線圖中，Y軸數(shù)據(jù)為該參數(shù)的值，X軸數(shù)據(jù)為監(jiān)測到該參數(shù)的時(shí)間。用戶不僅可以看到一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，也可以通過縱向?qū)Ρ龋庇^地看到在某一時(shí)刻不同的終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)值差別，方便用戶快速找出環(huán)境參數(shù)可能存在的問題。

圖6 實(shí)時(shí)監(jiān)測界面

3 結(jié)語

本文提出了一個(gè)將環(huán)境傳感器、GPRS模塊、傳感器網(wǎng)絡(luò)融為一體的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，用于采集環(huán)境信息和提供實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控和應(yīng)用服務(wù)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的信息遠(yuǎn)程傳輸、存儲于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫并用于遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的各項(xiàng)數(shù)據(jù)查詢和分析服務(wù)，使用戶可以隨時(shí)登錄遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺掌握農(nóng)田環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)

變化，并用于走勢預(yù)測和預(yù)警。相較于傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本文提出的系統(tǒng)更易于安裝和維護(hù)。系統(tǒng)已被部署在江蘇常州武進(jìn)區(qū)龍?zhí)逗柲墁F(xiàn)代溫室，通過4個(gè)月的各項(xiàng)功能和性能測試，數(shù)據(jù)服務(wù)穩(wěn)定可靠。

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The Application of Wireless Sensor in the Agricultural Environment Monitoring

GONG Guang-jun，et al.

(DepartmentofMechanicalEngineering，AnhuiVocationalandTechnicalCollege，Hefei230051,China)

Using wireless sensor network monitoring farmland environment can provide decision support for precision agriculture.Based on the sensor network，mobile network and the technology of remote database，this paper designs and establishes a farmland environmental monitoring platform，which could monitor eight environmental parameters such as atmospheric temperature，atmospheric humidity，soil temperature，soil moisture，water temperature，light intensity，carbon dioxide concentration，and pH value.Based on the design to the overall structure and the design to hardware and software of the system，it realizes real-time collection，transmission，remote monitoring and forecast analysis to each information condition during the growth of crops.Through various functional and performance testing，it shows that the data service of this system is stable and reliable.

sensor network；environmental monitoring；farmland

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.024

2016-07-04

安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(2013jyxm383)

龔光軍(1981-),男(漢),湖北天門,講師，碩士 主要研究數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

TP277.2

A

1009-8984(2016)04-0092-04