精確農業無線傳感器網絡節點部署研究

張永棠++周富肯++吳圣才

摘要：無線傳感器網絡應用到精確農業是現代農業與物聯網發展的必然趨勢。介紹了在贛南地區的生態園藝企業里引進和部署的1個實驗無線傳感器網絡，并給出了使用4種類型節點（土壤節點、環境節點、水節點和網關節點）來部署網絡的拓撲結構，其中一些節點連接分布于田地里的不同傳感器。這些傳感器可以測量各種土壤特性，例如溫度、體積含水量和含鹽量。對每個節點，從總體結構、硬件和軟件組件方面進行了描述。該系統還包括1個由放置在農場中央室里的計算機所執行的實時監測應用程序。系統的測試分2個階段完成：第一階段在實驗室，驗證開發設備的功能要求、網絡解決方案及節點電源管理；第二階段在農場，評估設備的功能性能。該系統已成功實施到生態大白菜農田里，實施結果表明其是一種通過在園藝環境下的分布式區域收集農藝數據的低成本、高可靠性和簡單的基礎設施。

關鍵詞：無線傳感器網絡；精確農業；物聯網；軟件架構；生態園藝

中圖分類號： TP212.9文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）03-0200-06

收稿日期：2015-12-22

基金項目：江西省農業科技成果轉化項目（編號：JXKJ201304216）；中國井岡山干部學院科技創新成果項目（編號：CX142119）。

通信作者簡介：張永棠（1981—），男，江西南昌人，碩士，副教授，研究方向為光通信與傳感器網絡應用。E-mail：gov211@163.com。

精確農業的概念已經出現有一段時間了。Blackmore將它定義為“一個通過精確調整土壤和作物管理以符合每個農田的特定條件同時保持環境質量，來達到優化農業生產的全面系統設計”[1]。如今，精準農業可以說是一種估算、評估和理解發生在農作物中的變化，以便能夠確定灌溉和肥料的需求、農作物的生長和成熟階段、播種和收獲的最佳時間等的盡可能準確的方法，換句話說，充分預測各個階段中的作物產量。為了實現這一目標，重要的是要收集盡可能多關于水、土壤、植物和環境的信息[2]。

本研究介紹了在園藝農場里引入無線傳感器網絡的試驗。其他工作最近已證明無線傳感器網絡成功地應用到精準農業。該農場位于江西省贛南地區，是我國南方重要的園藝區之一。該農場已實行生態農業試驗，該試驗也被稱為生物或有機耕作。

該農場是中型（8 000 hm2）的，由250個農田一個接一個地遍布在離贛州市區幾公里之外。作為一個規范的研究項目，考慮使用10個節點監測作物，成星型拓撲連接，使用一個網關節點。此外，網關節點使用一個堆棧來存儲接收消息，并稍后分配一個任務來處理；支持超過10個以星型拓撲方式連接的節點。然后，這方面工作的最終目的是為農場提供它所必需的基礎設施，實時地確定作物的缺水狀況，并做出適當的決策。

研究實例被設計成2個傳感器網絡，每個網絡監測不同的參數。第一個網絡收集土壤的溫度、濕度和鹽度，而第二個網絡記錄環境的溫度和濕度。此外，1個獨立的無線傳感器被安放在1個池塘里測量作物供給水的鹽度。這些子網和獨立的無線傳感器通過適當的網關節點發送所有數據到設在中央農場辦公室的基站節點，在那里制作關于作物的決策。設計和開發了不同的網絡，低成本的特定節點（不帶傳感器約150美元），以及連接網絡和中央辦公室的網關。1個后臺監控應用程序被開發出來控制所有的設備和記錄所收到的信息到1個關系數據庫，以用來制作灌溉策略。

1試驗情況

提出農藝問題的解決安排如圖1所示。這包括2個傳感器網絡和1個獨立的無線傳感器。第一個傳感器網絡由10個土壤節點組成，每個節點連接2個埋在20 cm或40 cm深的土壤里的Stevens Hydra Probe Ⅱ傳感器[3]。這些傳感器可以測量各種土壤特性，如溫度、體積含水率、鹽度等。第二個網絡由10個環境節點組成，使用Sensirion SHT71傳感器[3]測量環境溫度和濕度。

除了這些傳感器網絡，1個無線傳感器，稱為水節點，被安放在1個用于灌溉農場的池塘里。無線傳感器的目的是來測量基于水電導率的鹽度和溫度，以便確定用來灌溉作物的水質。該傳感器是Stevens EC 250，適用于傳感器的遠程無線模塊，允許與5.5 km以外的基站直接通信[4]。這些節點的硬件和軟件實現將在下面詳細說明。表1總結了傳感器的主要特點。

這2個傳感器網絡分別遠離中心電腦5.2、8.7 km。為了保證系統的無線覆蓋，網關節點使用和在水節點里同樣的技術，使用遠距離無線模塊。每個傳感器網絡的節點通過IEEE 802.15.4互連[5]。當消息通過網關到達中心計算機，中心計算機監控應用程序處理和檢查其來源及其所包含的信息。消息存儲在1個關系數據庫，其中保存了傳感器收集到的數據和各時期的歷史記錄。以下各節將詳細說明每一個已開發的節點、需求和監測應用程序的體系結構。

2設備開發

選擇用來處理所提出問題的解決方案是使用節點（土壤節點、環境節點和網關節點）布置2個傳感器網絡，1個測量水質的無線傳感器和在中央辦公室的2個節點（在屋頂上的中繼節點和連接到監測電腦的基站節點）。

本研究所描述的設備是在SNA（sensor network architecture，傳感器網絡體系結構）[5]背景和RIMSI項目下開發的，是為了滿足各種網絡覆蓋范圍的需求（長至10 km），以及因為沒有節點適合農業工具市場上提供的SDI-12標準（SDI，2012）。在設計這些設備時考慮到的主要需求有：（1）魯棒的無線技術；（2）低成本、低功耗的電子設備；（3）長期能源的使用和減少大小（約2 700 mA·h）；（4）連接不同類型的外置傳感器的輸入/輸出接口的使用（SDI-12，I2C，4～20 mA）。下面詳細列出每個節點的硬件架構、使用的傳感器、節點功能和軟件組件的開發。

2.1土壤節點

土壤節點由1個微控制器、1個短程無線電收發器、1個SDI-12接口、2個DC/DC轉換器和1套電池組成（見圖2-a、圖2-b）。所有元件放入IP67保護等級的水密箱里。圖2顯示了土壤節點的硬件和軟件實現及其在田地的放置。

微控制器選擇德州儀器的Msp430F1611，使用TinyOS version 2編程（Tiny，2008）（Hill et al.，2000）。所有其他節點都使用相同的微控制器[5-6]。短程無線模塊使用CC2420（Chipcon），也來自德州儀器。該模塊與網關節點通過遵循IEEE 802.15.4標準、帶寬為250 kbp、2.4 GHz的無線通信來交換數據[5]。網關節點充當傳感器網絡和辦公室之間的網關。能量由連接到第二個DC/DC轉換器的3個AA NiMH 2 700 mA·h 可充電電池供應[7]。這個轉換器提供2.5 V直流電給節點的所有組件。這些電池持續了7個月左右，對于一個正常的農事季節來說這能保證足夠多的時間。

每一個節點通過SDI-12接口連接2個Stevens Hydra Probe Ⅱ（HP2）傳感器[3]（圖2-c）。SDI-12是1 200 Bd波特率的串行數據接口。這是一個連接電池供電的數據記錄器與基于微處理器的用于環境數據采集的傳感器的接口標準。HP2是一個原位土壤傳感系統，能測量22種不同的土壤參數，同時以數字形式輸出。它即刻計算出土壤水分、電導率/鹽度和溫度。

土壤節點從HP2傳感器監測4種參數[土壤溫度（℃）、土壤氯化鈉濃度（g/L）、土壤水分的體積百分比和隨溫度校正的土壤電導率（S/m）]；用戶可在接收端PC機配置采樣周期， 范圍在30 min到48 h之內。因為采樣通常是按小時的，決定于每個讀周期發送讀取的數據，因而結合實時數據的可用性，以及合理的能量消耗。該器件還監測電池電壓，當達到臨界水平時發出1個信號。

該節點使用TinyOS 2.0操作系統編程[8]，相關的編程語言為nesC，這是專用于無線傳感器網絡領域的。nesC被創建為C編程語言的延伸，使用“wired”組件來運行TinyOS上的應用。組件使用接口相互連接。TinyOS為通用抽象提供接口和組件，如數據包通信、路由、傳感、驅動和存儲。TinyOS是一個眾所周知的新無線傳感器網絡應用開發的可選替代，并提供可重復使用的組件，以確保遵循IEEE 802.15.4標準的可靠通信，并支持許多硬件（微控制器、收發器、傳感器）。此外，還有1個用nesC撰寫的ZigBee（Open-ZB）實現。

TinyOS是一個開放的源代碼；（2）當需要的時候允許應用軟件直接訪問硬件；（3）支持多種硬件平臺。因此，TinyOS被選擇用來作為開發節點的應用軟件。

2.2環境節點

為了便于閱讀，以下不討論其他節點與土壤節點的共同點，只討論新的元件和功能的細節。

環境節點（圖3）記錄作物的環境溫度和濕度參數。正如在圖3-a中顯示的，節點的架構類似于土壤節點，除了與外部傳感器的接口。

每個節點通過I2C接口連接Sensirion SHT71傳感器（圖3-b），放置在1個離地面1.5 m高的日光保護罩里。這些類型的節點采取引用參數讀數的最高頻率為2個讀數/h。環境節點放置在網關節點周圍半徑約100 m之內的地方。最初安排這個網絡包括10個節點。同樣，該節點也使用TinyOS編程。SensirionSht11C組件用來滿足上面所述的功能。此外，Msp430ADC0C用于采樣微處理器的ADC0模擬/數字轉換器，以確定當電池電壓低于某一閾值時，發出低能量警報。

2.3水節點

水節點（圖4）測量用于灌溉作物的池塘水的溫度和鹽度。在這種情況下，節點通過使用適合戶外8dBi全向性天線的遠程無線模塊（XStream X24-019PKI-RA radio modem）直接與辦公室連接通信。其余結構和前述節點非常相似（圖4-a和圖4-c）。Stevens EC 250傳感器淹沒在池塘里。這2個傳感器輸出（溫度和鹽度）4～20 mA的信號；當電流回路穿過1個電阻器后，微控制器的ADC0和ADC1轉換器讀取這2個傳感器。讀取這些參數的最高參數頻率是2讀數/h。節點由太陽能電池板供電，并封裝在放置池塘邊的水密箱里。[FL）]

[TPZYT4.tif][FK）]

其天線安裝在約4 m高的桅桿上。EC250C組件再次使用 TinyOS 來開發，以滿足上文所述的功能。

2.4網關、基站和中繼節點

正如我們在圖1中看到的，設備基礎設施需要2個傳感器網絡及無線傳感器與辦公室互連：（1）每個傳感器網絡1個網關節點，其中一個網絡基于環境節點，另外一個基于土壤節點；（2）中繼節點位于辦公樓屋頂；（3）基站節點放置在辦公室內，物理連接到監測電腦。

圖5-a和圖5-b詳細顯示了網關節點圖像及其硬件架構框圖。微控制器與作物節點通過短距離無線模塊進行通信，而與在辦公室處的中繼節點通過遠程無線模塊通信。由于采用可充電太陽能電池，能量供應壽命已經足夠。太陽能電池板是Zodiac Solar的TPS 102/5（12 V，5 W）面板[3，9]，成30°角安裝。在最壞的情況下，在卡塔赫納區的平均太陽輻射在這個角度測試時為4 600 W·h/m2。網關能耗為 7.8 W·h。因此，面板能給節點能耗提供更多的能量。

為了確保基站節點有足夠的覆蓋面，主天線架設在高約9 m的辦公室屋頂。主天線和基站節點之間的無線連接也通過中繼節點實現。基站節點收集傳感器網絡所產生的所有信息（在中繼節點的幫助下），并傳輸到開發用來處理網絡的監測應用程序。同樣，軟件應用程序可廣播任何命令給傳感器網絡。該節點由連接3dBi全向天線的遠程無線模塊（2.4 GHz）和1個用于連接中心計算機的RS-232接口組成。中繼節點是1個配置為轉發器模式的商業無線電調制解調器，連接到1個8dBi的全向性天線。在戶外可提供16公里的視距覆蓋范圍。

3監控應用程序

監控應用程序由以下集成：（1）圖形用戶界面（GUI）顯示從傳感器讀取到的數據；（2）接收和存儲節點數據的程序。這2個程序使用Java編程語言、Eclipse環境和MySQL關系數據庫管理系統開發。這些應用程序的基本特點可歸納如下：

圖形用戶界面（圖6），能確定每個節點和作物的確切地理位置；傳感器讀取的數據定期發送到基站并存儲在數據庫里（程序等待一個事件觸發，表明串口有數據）。GUI將讀取這些數據并實時圖形可視化它們。此外，用戶應用程序可修改采樣周期；數據庫詳細存儲部署的節點、其匯聚區域、集成在每一個節點的傳感器、讀取歷史記錄、傳感器類型、傳感器和地區發出警報的歷史記錄（例如電池失效、低于某一閾值等）；顯示從傳感器讀取的最新數據，而3個網絡顯示在右側。表格之下的圖形按用戶選擇的時間間隔顯示數據，或者提供收集到的最新數據。

土壤和環境節點都提供以下服務：改變傳感器的采樣周期和配置設備按每小時電池供電發送數據。當電池充電嚴重不足時，它們觸發警報信號。此外，土壤節點還提供其他服務，如：設定土壤類型、配置測量數據集、設定灌溉水量和建立預熱時間。請注意，所有服務都提供了發送一個特殊的數據組合來設置采樣周期。

4結果

[JP2]實現目標的方法包括2個階段：第一個階段在實驗室，第二個階段在田地里。在第一階段部署所有的子網（只用4個節點作為土壤節點和環境節點子網的例子）、2個網關節點、基站和中繼節點。這一階段的主要作用是驗證所提出的硬件和軟件解決方案。驗證沒有使用低能耗技術的硬件與軟件版本。一旦保證正常運轉后，下一步是審查軟件，以便合并低能耗模式到所有節點，除了主要部分的供電（基站和中繼節點）。這樣，可以達到系統的充分自治，以確保節點可以運作整個園藝周期（10周）。第二階段的目標是，在實際農場條件下進行驗證，評估所開發裝置的功能性能，如范圍、魯棒性和靈活性。[JP]

為了達到所開發系統結果實現的充分評估，從以下觀點進行了分析：（1）從設備開發和技術使用的角度來看；（2）從農業的角度來看。

4.1設備的結果

在實驗室的功能驗證后，所開發的裝置重編程為低能耗模式，因該模式最適合運行在田地里。這一運作模式的詳細研究表明有必要確保整個農業周期的自治。以下介紹針對土壤節點進行的研究，這項研究與所有其他節點相同。

[JP2]土壤節點有4個功能狀態：休眠、無線電待機接收消息、傳感器數據記錄、數據傳輸。表3列出了節點在每一個狀態的能耗和時間。最壞的情況是采用平均能耗，從2個傳感器每 30 min 采集和傳輸數據。本研究的最終目的是，確定節點的平均能耗是多少，將由此得出的數字直接關聯電池的電能，從而確定該設備的自治時間。節點的平均能耗可以如下確定：[JP]

[JZ（]Isoil-mote=Istandby+Ireceiv+Iacq+Itrans。[JZ）][JY]（1）

其中，

[JZ（]Istandby=0.25 mA；[JZ）][JY]（2）

[JZ（]Ireceiv≈[SX（]20 mA×15×10-310[SX）]=0.03 mA；[JZ）][JY]（3）

[JZ（]Iacq≈2×[JB（（][SX（]110 mA×1 800×10-31 800[SX）][JB））]；[JZ）][JY]（4）

[JZ（]Itrans≈2×[JB（（][SX（]25 mA×125×10-31 800[SX）][JB））]=0.003 5 mA。[JZ）][JY]（5）

表達式（2）表明待機能耗。表達式（3）表示節點在接收模式為每10 s 15 ms脈沖時的平均能耗。表達式（4）和（5）反映類似的計算，僅乘以2，這是許多連接到每個節點的傳感器數目。表達式（1）給出了土壤節點的平均電流消耗，大約0503 5 mA。由于土壤節點的電池是2 700 mA·h，其估計自治時間為223 d，足以保證正常運作整個農業或園藝季節。其他設備的能耗研究與土壤節點一樣遵循同樣的過程。結果總結見表2。節點安置在田地如此消耗后，驗證測試持續了9周以上，沒有收到任何設備的低電量警報，這表明太陽能電池板工作正常以及驗證能耗評估。

為了覆蓋設備，放在辦公室內的基站節點，使用3dBi全向天線。由于建筑的覆蓋狀況，中繼節點不得不從一開始就放[CM（25]在屋頂上。這提供了中繼節點和配備XStream的節點（網關和水節點）之間達10 km的覆蓋面。所有裝在戶外的8dBi全向性天線，安裝在4 m高的桅桿上，以避免任何障礙。

一旦傳感器網絡的網關節點定位好，網關節點與土壤節點之間的最大覆蓋范圍是50 m，環境節點的覆蓋范圍是 100 m。土壤節點放置在園藝作物里。因為作物豐富的根部，傳感器需埋入20 cm或40 cm深的土壤里。和環境節點不同，土壤節點放在地面上，因而覆蓋較差。當土壤節點第一次安裝時，作物的頂部略高于地面，所以節點工作完美。然而，幾個月后當作物開始向上長時它們停止了工作。這個問題已經解決，將原來天線替換為3dBi全方位版本。

4.2農業成果

驗證測試在位于江西省南部的贛州市某園藝場占地 4 hm2 的生態草莓園里進行。在40 cm深的作物土壤特性是：黏壤土質地，總碳酸鹽35.4 mg/L，速效磷（Olsen法測定）78.6 mg/kg，速效鉀（乙酸銨法測定）487.0 mg/kg。滴灌系統埋在2行作物之間和每0.20 m安裝1 L/h的發射嘴。使用噴灑化肥方法給作物施肥。在3月的第1周部署節點，這時農場主開始收集無線傳感器網絡的數據。土壤節點的傳感器置于20 cm和40 cm深的作物底下。在此期間，有80 mm累積雨量，達65 km/h的中等強風和溫和的溫度（平均 15.2 ℃）。圖7顯示了生長周期內收集到的數據（土壤濕度、空氣溫度、光照、二氧化碳濃度等）。Hydra Probe傳感器提供準確的土壤濕度測量，水容積的單位為體積（wfv或m3/m3）。也就是說，土壤里的水的比例以十進制形式顯示。例如，0.20 wfv 水含量意味著1 L的土壤樣品含有200 mL的水。充分飽和度（所有土壤孔隙空間裝滿了水）通常發生0.5～06 wfv，并且相當依賴土壤。節點被驗證能正常運行。這為類似的氣候條件提供了一些魯棒性保證。

'在介紹此技術之前，園藝場用傳統方式監測其作物，即派人用適當的便攜設備觀察作物和池塘來衡量相關的農藝參數。現在，使用所開發的技術，作物變量可以實時確定，作物的水需求不用派人去觀察它們就可以估算。農場團隊可以實時監測保持白菜生長的最佳條件（EC值范圍為2～4 mS/cm，溫度在10～24 ℃，相對濕度在60%～90%的范圍）。

5結束語

本研究描述的無線傳感器網絡提供了一個真正監測作物土壤和環境狀況的機會。該系統成功地在所需精度下監測了生態白菜作物的整個生長期。農場團隊現在能夠收集更全面和更準確的空間和時間數據。因此，農業生產系統受益于把高技術融合到通信和信息技術領域。

無線傳感器網絡設備收集廣泛范圍內的土壤和環境條件測量值的能力是該系統設計的根本要求。無線傳感器網絡技術的明顯優勢是能顯著減少和簡化布線、更快地部署、無限制安裝傳感器的靈活性和更好的移動性。盡管這項技術潛力很大，但是還存在一些困難，例如缺乏有經驗的工作人員解決問題、傳感器成本高、電源供應問題等等。

下一步研究的目的是建立一個專家系統，以協助灌溉管理，結合氣候（ET）和土壤水分平衡模型來估算作物需水量，優化灌溉編程和遠程操縱灌溉設備的能力。

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