基于無線傳感器的農田溫濕度采集系統研究

黃麗韶

摘 要：文章設計并實現了一個基于無線傳感器的農田溫濕度采集網絡系統。該系統經過測試，能正確收集農田的溫度和濕度信息，并通過無線傳感器傳輸到終端設備，在終端設備進行數據統計和分析，并給出簡單的決策提醒信息。

關鍵詞：無線傳感器；農田溫濕度；采集系統

農田環境信息包括空氣溫濕度、光照度、風速、土壤含水率等，相關的信息采集系統都是先收集這些信息，然后通過網絡傳輸到終端，進行數據觀測，并最終給出相應的決策。這也是現代農業發展的重要基礎和方向。

傳統的農業農田灌溉與相關作業，經常需要人員親自現場，觀察農田的溫度和濕度信息，耗費了大量的人力和物力，給農業經濟的發展帶來極大的阻礙。因此采用先進的傳感器技術和GPRS技術將農業環境數據和作物生長發育過程中的生理及形態數據遠程傳輸到實驗室的計算機上，利用各種數據算法及專家經驗知識對數據進行分析，研究各種數據之間的內在關系，可以更好地為農業生產管理提供決策支持。

1 同類課題研究水平概述

無線傳感器網絡的研究起步于20世紀90年代末期。美國商業周刊和麻省理工學院將無線傳感器網絡列為21世紀改變世界的十大技術之一。隨著無線傳感器網絡的深入研究，其在科學研究、國家安全、經濟生活或人類生活眾多領域將會有著更廣泛的應用。由于傳感器網絡的應用與具體的應用環境有關系，因此存在不同應用領域的無線傳感器網絡系統。無線傳感器網絡以應用為目的，相關技術的研究均是圍繞其應用展開的，其在軍事、農業、環境監測、醫療衛生、工業、智能交通、建筑物監測、空間探索等領域有著廣闊的應用前景和巨大的應用價值，因此無線傳感器網絡被認為是未來改變世界的十大技術之一、全球未來的四大高新技術產業之一，是繼Internet之后對21世紀產生重大影響的IT技術之一，對人類的生活和工作方式將會產生深遠影響。無線通信常見形式有微波通信、短波通信、移動通信、衛星通信、散射通信和激光通信等。它擺脫物理連接的束縛，無需通過電纜實現設備問的互連和信息的傳輸，成為通信技術研究熱點，使得對于無線通信的需求量越來越大，因此出現了許多無線通信協議。無線通信技術由近距離、點對點傳輸的紅外通信技術，到短距離、點對多點個人局域網，如藍牙和ZigBee，到中距離、多hop無線局域網，到長距離的便攜式電話系統，如GSM/GPRS和CDMA等，不同種類的技術隨著需求的不同而不斷發展完善，形成了巨大的市場潛力[1]。本設計考慮到成本及實用情況，采用短距離點對多點通信方式，設計了針對農田土壤監測的專用無線傳感器網絡。上位機軟件LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發工具。這種開發工具的優勢很多，比如，它能給用戶很好的界面體驗，還有具有圖像操作系統式的編程界面和規范，開發人員并不需要敲寫大量的傳統代碼，所以，它是一種真正的工程師級別的語言。

2 基本思路

基于低成本、可擴展、易推廣、服務三農的原則，研究多樣性土壤信息的獲取與處理技術，設計田間與溫室信息的低成本采集、傳輸與控制系統；實現對土壤溫濕度高效、實時、統一、精準的管理。以溫濕度為基本監控元素，設計能完成對土壤溫濕度信息的可控采集、無線傳輸、圖像化顯示、數據庫處理與自動灌溉的系統平臺。數據傳輸無線化、信息監控在線化、方案決策智能化、功能擴展方便、設計成本低廉是其創新之處。

3 技術關鍵

本技術采用具有很強抗干擾能力的APC220無線收發模塊與自定義的無線傳輸協議，解決了無線電干擾問題。采用“多基站轉發”的無線傳輸協議，突破了無線模塊本身傳輸距離有限的局限，實現了任意距離的傳輸。針對土壤含水率變化滯后的特點，采用模糊控制算法進行土壤含水率控制。采用自行設計的PCB電路板，保證了硬件系統穩定可靠、體積小巧，并為以后的推廣應用奠定了基礎。采用LABVIEW開發環境在較短時間內開發出了界面友好、功能完善的遠程在線監控軟件。主要技術指標有：（1）誤碼率：400米距離時小于2% ；（2）無線傳感器網絡傳輸距離：采用“多基站轉發”的無線傳輸協議，理論上可以達到任意距離；（3）灌溉誤差小于2%。

采用XL51智能溫濕度傳感器。集溫濕度采集、無線傳輸等功能，帶顯屏，實時顯示溫濕度數據；配按鍵，支持手機WiFi現場調試的XL51無線溫濕度傳感器。XL51無線溫濕度傳感器，具有低功耗、高精度、穩定性強、使用壽命長等特點，支持4路數字量輸入，有線RS485輸出和無線輸出，可選433 MHz，2.4 GHz等無線傳輸方式。配置：4路獨立RS485&DC5V接口，用于接入XL62RH溫濕度感器探頭；溫度量程：-40～120℃，精度±0.3℃；濕度量程：0～100%RH，±3%RH；最多可選接入4支溫濕度傳感器探頭；溫濕度傳感器可配引線長達100米。

本文設計的采集系統的主要構成是：信息抓取模塊、信息發送模塊、信息存儲中心模塊和信息決策模塊。信息存儲中心模塊（監控中心）：硬件主要包括：工作站電腦、服務器（電信、移動或聯通固定IP專線或者動態ip域名方式）；軟件主要包括：操作系統軟件、數據中心軟件、數據庫軟件、溫室大棚智能監控系統軟件平臺（采用B/S結構，可以支持在廣域網進行瀏覽查看）、防火墻軟件；信息發送模塊（數據通信網絡）：采用移動公司的GPRS網絡或490 MHz傳輸數據，系統無需布線構建簡單、快捷、穩定；移動GPRS無線組網模式具有：數據傳輸速率高、信號覆蓋范圍廣、實時性強、安全性高、運行成本低、維護成本低等特點；信息抓取模塊（溫室硬件設備）：遠程監控設備：遠程監控終端；傳感器和控制設備：溫濕度傳感器、CO2傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器、噴灌電磁閥、風機、遮陽幕等。

本文設計的農田溫濕度采集系統的主要特點闡述如下：（1）實用性。農田的地理位置并不集中，因此需要比較好的網絡信號來對采集的信息進行抓取，所以，我們設計采用廣泛的GPRS實現，使用高增益天線，才能讓整個采集系統正常的使用，當有多個信息發送時，還能實現多線程的遠程信號的發送與接收。（2）兼容性。本文實現的采集系統表現的兼容性主要是在它未來的發展上，能很好進行擴充。采集系統預知了多個接口，供系統進行無線的擴展，也方便后期開發人員進行維護，對系統出現的錯誤問題，能及時給出報警信息，以免造成大的損失，并能在一定程度上給出預測。（3）操作簡便。整個系統在采集信息的過程中，需要操作的步驟非常簡單，只有簡單的4個按鈕，并且給出了詳細的說明。4個按鈕都給出了明顯的標志。4個按鈕分別是：溫度收集、濕度收集、報警按鈕和決策按鈕。

4 科學性與先進性

所設計的土壤溫濕度在線監測與控制系統，融合了無線電、傳感器、網絡通信及LABVIEW圖形化編程等技術。將成熟的傳統技術與高速發展的無線傳感器網絡技術相融合，并根據實際應用情況，設計了“多基站轉發”無線通信機制，成功實現了信息傳輸與處理平臺的搭建。同時，采用成熟的模糊控制算法對噴灌系統進行控制，實現了灌溉的智能化。

4.1 設計的系統要求

設計的系統要求包括：（1）根據具體監控需求，部署傳感器節點和中轉基站，保證各節點能統一組網。（2）借助在線監測軟件發出控制命令給傳感器群。（3）系統會根據采集的數據自動作出灌溉等決策方案，以供用戶參考。

4.2 技術特點及優勢

技術特點及優勢包括：（1）采用APC220無線收發模塊與自定義的無線傳輸協議，有效避免了無線電的干擾問題。（2）采用“多基站轉發”的無線傳輸方式，突破了無線模塊本身傳輸距離有限的局限，實現了任意距離的傳輸。（3）采用LABVIEW軟件開發遠程監控系統，開發周期短、界面友好。（4）采用PCB電路板，保證了硬件系統穩定性。項目適應范圍及經濟效益預測。由于在軟硬件的設計上都留有充分的擴展接口，故稍作修改即可應用于需要進行數據采集、傳輸與處理的場合，尤其是農業方面，幾乎可以不加修改地直接使用。本系統不僅可以指導農戶進行精細化種植，還可以在少量改造后移植于其他需要感知的生產領域，有利于提高生產效率[2]。

[參考文獻]

[1]胡純意，李長庚，王鵬鵬，等.無線傳感網絡溫濕度采集系統的設計及實現[J].計算機測量與控制，2010（5）：1199-1201.

[2]高辰，張思琪，張睿，等.基于無線傳感器網絡的成品糧倉儲環境溫濕度檢測系統設計[J].物聯網技術，2017（3）：30-31.endprint