基于單片機構建智慧農業無線傳感器網絡

呂慶軍，鐘聞宇，由浩良

（吉林農業科技學院，吉林 吉林132101）

農業是眾多產業中的基本大業，人們的生產生活活動都離不開農業的發展。只不過人們對農業生產的印象還停留在傳統農業依靠勞動力進行施肥、犁地等勞作。但是，在智慧農業中，依靠技術的智能化操作，實現對農作物生長環境的空氣濕度、光照強度、灌溉強度、二氧化碳濃度等信息進行實時的定量精準把關。利用物聯網的關鍵技術——無線傳感器網絡可以解放勞動力，運用技術手段實現一切農作物生長需要。無線傳感網絡在農業生產過程中的應用，不僅可以改變粗放的農業管理模式，還可以在很大程度上監測農作物是否有病蟲害、重金屬等風險存在，如此便可以保證農作物的質量，提高產量。

1 智慧農業的概述

智慧農業是集新興互聯網、云計算、移動通信網絡和“物聯網”技術于一體的農業生產的高級階段。對確保農作物可以健康生長的土壤、光照、水分、二氧化碳等元素通過不同的傳感節點實現實時監測。對農業生產環境的智能預警、智能分析、智能決策等具有一定的指導作用。確保農業生產達到可視化管理和精準種植的效果。

1.1 智慧農業的定義

智慧農業還有另一種名字，就是智能農業。智慧農業與傳統農業相比本質上的不同就在于它利用的是智能化的監測分析系統。將計算機信息技術、云計算、3S技術以及多位專家的在線指導就是智慧農業。智慧農業的目標在于用最低的成本和最低的能源消耗、最大程度上減少農業生產中對生態環境造成的影響，實現農業高質量高產量生產和保護生態環境的同步進行，智慧農業是一種現代化的農業發展形態與模式。通過自動化的生產、結合遠程監控、無線采集、自動灌溉、施肥、噴藥等農業活動，減輕農業生產者的負擔，實現自動化的農業生產。

1.2 智慧農業的特點

隨著科技的幾步和廣泛運用，傳統農業的生產模式已經無法滿足可持續發展的需要，智慧農業成為目前農業發展的新趨勢。智慧農業可以解決農業資源不足、農業產量提高難度大、農業生產環境污染嚴重等多種問題。這是因為，智慧農業與傳統農業相比，有很多的特點和優勢。第一，智慧農業利用的高新技術可以在很大程度上避免資源浪費。這是因為信息技術可以支撐其對空間、土壤、水分、光照等因素的計算和探測，并根據實際情況進行統籌分析，確定農作物的種類和數量。第二，智慧農業可以在有限的資源中創造出最大的產值。根據對農作物生長所需要的因素盡心分析檢測，智慧農業可以通過對這些因素的改變進行新的種植計劃。這個過程也是需要通過無線傳感器網路實現的，利用對信息的交換傳遞及處理，改變可以改變的因素，使農作物的生長所需要的環境達到一定的標準，提高產量，實現資源的最大利用。

1.3 智慧農業的系統架構

智慧農業的系統架構可以分為感知層、傳輸層和應用層三方面：

感知層的作用正如它的名字一樣，是被用來感知外界信息的，換句話說，感知層是利用它本身的識別技術，對農作物生長環境中的各類信息進行識別，它為傳輸層和應用層提供最原始的數據。感知層通過光照傳感器、土壤濕度傳感器、風向傳感器等一些列的傳感器對各類信息進行識別。

傳輸層是一種傳遞技術，它主要負責的是對信息處理和傳遞。傳輸層是整個無線傳感網絡的中樞。在這個環節中，無線傳感器網絡、互聯網、云計算以及移動通信網的合作運行。在農業監測區域內根據隨機分布的多種類的微型傳感器組成的無線傳感器網絡，在對網絡進行全覆蓋的同時，采集、計算和處理區域中監測到的對象的動態信息。因為對農業生產的監控面積十分大，想要網絡可以覆蓋得足夠全面，采用無線傳感網絡是十分實用的。

應用層的工作是在感知層和傳輸層完成指標之后，再進行內部的運作來完成的。也是在整個系統中的最后一個環節。將前面環節中搜集的和分析出的數據及信息進行分析處理，以便于應用到系統的整個操作流程中。通過采集、存儲和管理每個節點中的數據，對農業基地的各種動態信息進行監控。然后根據這些數據信息進行自動化的農業生產活動，并對異常的活動動態進行預警處理。

2 無線傳感網絡在智慧農特中的應用

2.1 無線傳感器節點的構成

無線傳感器節點的構成并不復雜，但是每一個節點之間都存在相應的聯系。在整個系統的運行中，不同的節點扮演著不同的角色，起到不同的作用。數據處理模塊、無線通信模塊和傳感器之間共同集成了這些不同的節點。其中，在無線傳感器的構成上有三大要素，即：被測對象、傳感器和觀測者。無線傳感器節點的構成不僅可以檢測環境信息，還具有處理數據和無線通信的功能。

2.2 無線傳感器網絡的體系結構

總體結構包括傳感器節點、匯聚節點、現場數據采集和處理部分以及分散式用戶接收設備。在無線傳感器網絡體系中，存在一個匯聚點，這個匯聚點可以接收到來自不同節點發布和傳遞過來的信息。同樣的額，匯聚點也可以將處理好的信息傳遞到每一個節點中。檢測人員可以利用這樣的傳遞關系進行監控和管理，發布監控任務或通過管理節點收集數據。每個節點的微處理器根據其自己的傳感器模塊提供的數據定時，執行遠程控制信息的實時數據收集、分析和處理、發送和接收。當某個節點攜帶的傳感器檢測到某個參數指標超過標準時，該節點會自動發出報警信號。匯聚節點與PC機相連，可以從每個節點接收信息，并可以及時發現和確定發送信息的節點的位置。每個傳感器的數據按照預定協議發送給PC機，PC機實時存儲和顯示數據，并將接收到的實時數據與預設參數進行比較。利用這些具體的數據分析報告可以測試出目前的環境是否達到了預期的標準，并且可以再次基礎上制定出相應的整改計劃。

2.3 系統整體結構設計

系統的整體結構設計要根據無線傳感器網絡的布局以及與主機之間的距離來進行設計。每一個環節都是獨立的個體，但是彼此之間又存在很多密切的聯系。著就是系統整體結構設計的核心。每個節點的傳感器與PC機相連接控制終端通信，并將采集到的數據傳遞過去。終端對收到的信息進行分析處理，并將處理的結果用同樣的方式傳遞到每個節點中。傳感器節點主要采集土壤溫濕度、降雨量、酸堿度、風速、空氣溫濕度等信息，并傳輸到控制中心的單片機，計算啟動水泵的供水時間。同時，供水時間信息通過通信傳輸到控制中心，實現遠程數據監控，并通過計算機中的云模型進行處理和響應。傳感器節點的驅動程序，是從各種傳感器的初始化狀態開始，然后進入循環系統，根據各種傳感器對數據的采集和處理進行樣本的采集，再傳遞相關的數據，完成數據的接受之后，根據預定的格式提取并處理，最終調整當前的工作狀態。

3 結語

智慧農業是時代發展的產物，也是信息科技化時代下農業發展的必經之路。農業生產的創新和轉型離不開智慧農業的產生和發展。因此，分析構建智慧農業無線傳感器網絡對農業未來的發展十分重要。智能化的系統不僅能準確對農作物生長環境進行檢測分析，在最大程度實現農作物的高產量、低污染、低消耗，還可以將無線傳感器網絡與現代智能農業中使用的傳感器相結合，用于現代大規模農業的生產管理過程。