基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

劉卉 曾利軍 肖瑤 高芳

摘 要：本系統(tǒng)設(shè)計方案是基于目前比較先進的ZigBee技術(shù)，同時利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化監(jiān)控。系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)的設(shè)計和軟件系統(tǒng)的設(shè)計。主要由無線模塊、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲、傳感器控管制矩陣和供電單元等構(gòu)成。在net framework 4.0平臺上依靠C語言實現(xiàn)了軟件功能。傳感器驅(qū)動程序設(shè)計由傳感器節(jié)點實施主要操作，而匯集節(jié)點則擔(dān)任串口通訊編程的功能。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)自動化；監(jiān)控；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）具有結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、布置簡單、維護快捷、測量精密等優(yōu)點，被稱為新世紀(jì)十大支撐技術(shù)之一，而且該技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)測與控制方面極具優(yōu)勢。

ZigBee技術(shù)是一種功耗低、成本低、近距離、無需布線、高可靠性、自組織性和方便組建網(wǎng)絡(luò)的雙向無線通信技術(shù)，基于以上優(yōu)點ZigBee技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，成為農(nóng)業(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的最優(yōu)選擇。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用于灌區(qū)農(nóng)田進行土壤環(huán)境及植物生態(tài)監(jiān)測，通過上位機軟件監(jiān)控，對農(nóng)田實現(xiàn)智能節(jié)水灌溉。該系統(tǒng)主要由五個模塊構(gòu)成，分別是ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點、上位機監(jiān)控、無線傳感器節(jié)點、閥門控制設(shè)備和無線路由設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)對土壤的濕度進行監(jiān)控，將反饋數(shù)據(jù)通過ZigBee技術(shù)傳送至接收節(jié)點，然后由控制器分析接收的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)與不同農(nóng)作物的生長規(guī)律進行對比分析，并由此來控制電磁閥門的開啟時間，進而對不同農(nóng)作物進行智能節(jié)水灌溉。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

硬件系統(tǒng)的設(shè)計都是由ZigBee模塊構(gòu)成的。主要包括傳感器節(jié)點、閥門控制節(jié)點和網(wǎng)關(guān)匯集節(jié)點。這3種節(jié)點都采用了相同的電路設(shè)計思路，區(qū)別在于通過編寫的程序語言的不同來實現(xiàn)不同的功能性能。其硬件組成如圖2所示。

無線傳感器必須具有無線通信、數(shù)據(jù)傳感、和數(shù)據(jù)處理的功能，此外還要考慮體積小和成本低的等各方面的因素。無線傳感器節(jié)點負責(zé)信息預(yù)測和傳感的工作，對監(jiān)控主機作出回答以及發(fā)送指令數(shù)據(jù)，一般由ZigBee模塊、存儲器模塊、驅(qū)動輸出模塊、時鐘模塊傳感器接口模塊各主要部分組成。該方案充足考慮了農(nóng)業(yè)自動化監(jiān)控的特點，沒有布線問題。低成本、節(jié)水效果顯著，便于大規(guī)模機械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可普遍推廣。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

該系統(tǒng)軟件的設(shè)計的質(zhì)量關(guān)系到整個智能節(jié)水系統(tǒng)的各個方面，是系統(tǒng)開發(fā)的重中之重。根據(jù)系統(tǒng)的性能分析，結(jié)合系統(tǒng)所需的高穩(wěn)定、低功耗的特點，在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計當(dāng)中，主要來包含四個部分：客戶端、網(wǎng)關(guān)匯集節(jié)點、傳感器節(jié)點以及閥門控制節(jié)點。傳感器節(jié)點將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)匯集節(jié)點，匯集節(jié)點接收處理，后將數(shù)據(jù)傳送給客戶端軟件，客戶端通過閥門控制命令控制閥門節(jié)點完成操作。其關(guān)系圖如圖3所示。

WSN集成了傳感器、無線通信、微機電系統(tǒng)（MEMS）等多項技術(shù)，不僅能夠?qū)崟r采集研究對象的數(shù)據(jù)信息，還能夠在對數(shù)據(jù)進行處理后，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給用戶。但在絕大多數(shù)情況下，系統(tǒng)供能始終是一個需要解決的重大問題，當(dāng)系統(tǒng)無法供電時，傳感器也無法再進行運作。

為了延長傳感器的工作時間，低功耗軟件設(shè)計是需要設(shè)計者重點考慮的問題之一。

在硬件、軟件設(shè)計的同時，也考慮到了能源消耗的問題。在傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計當(dāng)中，節(jié)點在休眠狀態(tài)和運行狀態(tài)之間進行操作和轉(zhuǎn)換，并且傳感器節(jié)點大部分的時間處在一個休眠狀態(tài)下的低功耗模式。

休眠節(jié)點將封鎖在無線通信模塊、傳感器模塊和電路的一部分。節(jié)點使用定時器中斷模式，每次完成抽樣，發(fā)送數(shù)據(jù)交換路由信息任務(wù)，比如他們進入休眠狀態(tài)，自動取樣的時間醒來，再繼續(xù)一個新任務(wù)。在傳感器節(jié)點軟件設(shè)計中，電源模塊的設(shè)計至關(guān)重要，因為整個系統(tǒng)在工作或者待機時都需要電源模塊持續(xù)不斷的提供能源，而傳感器節(jié)點能夠提供的能量有限，所以在節(jié)點設(shè)計考慮時，要以低功耗和高效能功能為主。

4 總結(jié)

近年來，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益擴大的市場，如今已被運用到各個領(lǐng)域。本設(shè)計思想是基于國內(nèi)外節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀和今后發(fā)展智能灌溉的可行性和必要性，綜合設(shè)計出了基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過ZigBee無線模塊的連接和土壤濕度傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，將不同地方的濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)水灌溉系統(tǒng)控制終端，通過對比事先設(shè)定的土壤濕度闕值和當(dāng)前采集的土壤濕度，為自動灌溉提供決策信息，以此來完成相關(guān)功能模塊的測試。得到土壤濕度控制系統(tǒng)運行界面進行分析。

參考文獻：

[1] 徐澤珍.我國水資源現(xiàn)狀與節(jié)水技術(shù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2008，23（16）：337-342.

[2] Burrell J，Brooke T，Beckwith R.Vineyard computing：Sensor networks Production[J].IEEE Pervasive Computing，2004，3（1）：38-45.

[3] 李祥林，胡玫，李穎.基于ZigBee的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)[J].蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報，2011，18（3）：11-17.

[4] 孫景生，康紹中.中國水資源利用現(xiàn)狀與節(jié)水灌溉發(fā)展對策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2000，16（2）：1-5.

[5] 張增林，黨革榮，郁曉慶等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉，2012，11（4）：75-78.

[6] 頓文濤，夏斌，車銀超等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)精量灌溉系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012，67（24）：216-218.

作者簡介：

劉卉（1980-），女，漢族，湖南衡陽人，碩士，副教授，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能信息處理；

曾利軍（1976-），男，湖南邵東人，副教授，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、最優(yōu)控制、智能信息處理。