無線傳感器網絡在農業中的應用

甘露，熊文珍（信陽職業技術學院，河南信陽　464000）

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無線傳感器網絡在農業中的應用

甘露，熊文珍
（信陽職業技術學院，河南信陽464000）

摘要：無線傳感器在我國的農業領域有著廣泛的應用，文章首先對無線傳感器的硬件和軟件設計進行了研究，給出了設計方案和設計思路，最后對當前無線傳感器網絡在農用應用中存在的突出問題進行了分析，對未來的發展方向進行了展望，對該領域的研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：無線傳感器網絡；系統設計；農業；應用

我國是農業大國，農業在我國的國民經濟中占有重要的地位，傳統的設施農業環境監控系統主要采用有線通信技術構建，雖然系統的時效性好、抗干擾能力強、性能穩定，但也存在擴展不靈活、部署不方便、運營和維護成本高等缺點，在這種情況下，無線傳感器由于能耗小、安裝彈性大、可擴展性強等優點，在現代農業中得到了廣泛和快速的應用。

1　無線傳感器網絡的硬件系統設計

（1）總體設計及工作流程。針對不同的設施農業，無線傳感器的硬件設計方案會有所不同，但是其本質都是以傳感器為核心，以網絡為基礎，以用戶為導向的設計布局，通用的基于無線傳感器網絡的設施農業環境監控系統。

其典型工作方式為：在預定的監測區域內隨機布設大量傳感器節點，傳感器節點采集的信息可自動發送至網關，也可通過其他的傳感器轉發至網關，網關接收到數據后通過無線通信的方式（移動網絡、衛星數據網絡、廣域網等）將傳感數據傳送給用戶所在的任務管理節點，任務管理節點通過上位機管理軟件對數據進行處理和分析，形成控制決策和控制指令，并通過網關將決策和指令發送給監測區域的執行機構，實現對設施環境的精確控制。

（2）無線傳感器節點的硬件設計。傳感器節點設計的目標就是通過最小化的電子系統設計，提供微控制器在不同晶振節點下的工作模式，并可進行自動切換，通過射頻天線實現通信功能，通過動態電源管理模塊實現功耗的動態控制，典型的硬件設計的示意圖如圖1所示。

在圖1節點的硬件設計中，AD轉換電路是不同形式數據交換的數據接口，USART接口通過異步串行的方式來接收數字輸出量，I2C接口是溫濕度和光照度傳感器的通信端口，射頻模塊由一個甚高頻的帶通濾波器和全向天線組成，復位電路主要用于重啟節點。

圖1　無線傳感器節點的硬件設計示意圖

（3）網關的設計。無線傳感器網絡通常在農業現場，傳感器采集的信息必須通過網關傳送至用戶，而用戶為了處理信息的方便，一般將后臺的任務管理節點設置在距離傳感器網絡比較遠的地方，這時就需要一個網關來構件遠距離的信息傳輸通道。在網關的設計中，采用RS232串口通信協議傳輸時，信號的衰減較大，如果通過無線中繼的方式傳輸成本較高，而且故障率居高不下，所以，可采用無線傳感器網絡和以太網通信的網關，具體的硬件設計示意圖如圖2所示。無線傳感器網絡的網關除了作為無線傳感器網絡的協調器，對無線傳感器節點進行管理，發送指令和傳輸數據外，還作為無線傳感器網絡和數據傳輸通道的中轉站。協調器采用CC2430芯片，傳輸模塊采用LPC1114，網口芯片采用ENC28J60。

圖2　網關設計示意圖

在硬件的設計中，無線傳感器網絡還要選擇移動的終端和控制機構，并架設無線網橋，對射頻模塊的通信性能進行測試和調整，文章不再進行贅述。

2　無線傳感器網絡的軟件系統設計

（1）軟件系統總體框架。在無線傳感器的硬件設計方案確定后，需要對其軟件系統進行匹配，傳感器信號的采集、通信數據的傳輸和處理、各模塊之間的信息交換等都需要進行規范和約定。基于網路通信的構建基礎，軟件系統的構成一般也由四部分組成，典型的系統軟件分為即物理層、網絡/傳輸層、數據層和應用層。

（2）無線傳感器網絡協議。目前通用的無線通信網絡的協議是國際電聯在2003年12月提出的802.15.4局域網/城域網無線通信協議，該協議具有成本低、功耗小、數據流量少等優點。在該標準的基礎上發展起來的ZigBee技術與802協議在網絡層和物理層相互兼容，目前在無線傳感器網絡中是主流的協議。

（3）系統軟件各層次的實現。物理層是軟件設計的最底層協議，所實現的主要功能是對射頻模塊的功率、接口芯片的初始化，對傳感器的信息采集過程進行規范和約定，對傳感器電源進行動態管理。我國目前采用2.4GHz作為ZigBee技術的頻段，這是國際電聯指定的免費通信頻段。802.15.4協議中將該頻段區分為16個信道，信道間隔為5MHz。物理層數據幀包括數據包包頭同步、物理層包頭和物理層數據內容三部分。網絡和傳輸層主要是約定通信網絡的各項功能協議，建立通信路由選擇的標準和規范。該層的數據包格式主要由幀頭、載荷和幀尾組成，其中載荷域可以根據需要進行不同的長度設計，傳輸層具有安全校驗機制，通過卷積運算等算法對載荷進行校驗和糾正。數據層主要對數據庫進行分類和錄入，對數據流和指令流進行傳輸。應用層則主要進行人機交互的開發和實現。ZigBee應用層中包含應用支持子層、ZigBee設備對象和生產廠商定義的設備對象。

3　無線傳感器網絡在農業中應用存在的問題

（1）感知網絡的功能性問題。目前各類基于無線傳感器網絡的農業環境監控系統，其傳感器種類主要集中在空氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度、土壤電導率、光照度等，這些傳感器感知到的只是農作物部分的生產環境信息，并不是所有的環境信息，所以對傳感器網絡的感知范圍要進一步拓展，對網絡的數據融合、后臺管理系統等需要進一步完善。

（2）傳感器的即插即用問題。隨著農業環境監控系統的智能化程度不斷提高，對傳感器的種類和功能要求也越來越高，但是由于目前的傳感器種類繁多，各類設備的硬件和軟件也不能完全兼容，所以傳感器網絡的構建彈性還不夠大，構建還不夠方便快捷，還不能實現無線傳感器的熱插拔，即即插即用，需要在以后的研究和應用中進行進一步的完善。

（3）無線傳感器網絡與廣域網的互連問題。無線傳感器網絡與廣域網的互聯也是當前面臨的主要問題，雖然目前的軟硬件設計基本解決了這個問題，但是一般局限于小規模組網或者是局域網的組網，傳感器網絡與廣域網的傳輸過程不夠透明，沒有統一規范的通信協議，雖然通過網關可以進行數據的轉換和交流，但是在大規模組網的時候，就會出現效率低下、造價和成本高、故障較多等問題，在以后的研究中需要重點關注無線路由器網絡和廣域網在物理層和協議層的鏈接問題。

（4）上位機軟件的功能性問題。如上文提到的，目前的上位機軟件雖然基本滿足對網絡內數據的分析和處理要求，實現輔助決策，但存在著數據分析和數據挖掘能力弱、數據的共享機制還不夠成熟、對數據的開發和應用不充分的問題。另外軟件的人機交互界面還不夠優化、數據的顯示和處理還不夠直觀便捷、數據的監測過程還不夠透明，這些問題也是下一步的研究方向。

（5）傳感器節點的功耗問題。局限于芯片和集成電路技術問題，目前傳感器的功耗居高不下，對無線傳感器的布設來說，因為成本所限，一般采用離線供電的方式進行，這就要求傳感器能夠具有盡可能低的功耗和盡可能小的體積，以便于降低維護和管理的成本，所以在以后的研究中應注意低功耗、小體積、長壽命傳感器的研制和應用，同時具有自主充電功能（比如生物充電、太陽能、風能充電等）的傳感器也是研究的方向之一。

4　結語

無線傳感器以其自身的顯著優點，被廣泛應用于農業領域，在動植物生理生態監測、大田環境監測、設施農業環境監測、溫室環境中發揮了重要的作用，隨著國務院“國家傳感信息中心”的設立，無線傳感器在我國農業中必將發揮更大的作用。

Application of Wireless Sensor Network in Agriculture

GAN Lou，XIONG Wen-zhen
（Xinyang Vocational and Technical College，Xinyang，Henan 464000，China）

Abstract:Wireless sensoris widely used in the fieldof agriculture.This paper first studies the design of hardware and software of wireless sensor，then puts forward the design scheme and design ideas.Finally，this paper analyzes the problems existing in the agricultural application of wireless sensor network，and provides reference for the future direction development prospects.

Key words:wireless sensor network；System design；Agriculture；application

中圖分類號：TN929.5

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）05-0110-02

收稿日期：2016-04-19

作者簡介：甘露（1981-），女，河南信陽人，碩士，講師，主要研究方向：計算機多媒體技術、網絡技術。