空中農業無線傳感網環境監測系統

李鑫 張黎黎 肖文 易金 劉文達

摘要：針對水稻生長密集、環境復雜、種植面積大、難以實現人工入田信息采集等問題，基于物聯網構建水稻環境監測系統。采用藍牙低能耗（BLE）通信以多旋翼無人機為中繼節點進行自組網來收集感知層數據，并且可以通過云服務器進行匯集、可視化、存儲，實現了大面積、遠距離、低功耗的水稻生長環境監測。結果表明，在同等條件下，使用該監測系統與傳統收集方式相比，收集便捷、性價比高。該檢測系統不但結構相對簡單而且實用性高、成本較低、可靠性較好，能夠滿足稻田作物生長生理性狀與產量關系環境信息監測的要求，可在農業生產中智能化地采集到高分辨率的環境信息，采集節點單次使用壽命滿足水稻生長周期要求，能夠有效提高農業精準管理的現代化程度和普及程度。

關鍵詞：藍牙低功耗;多旋翼無人機;智慧農業;自組網;環境監測系統

中圖分類號： TP274;S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2021）16-0200-04

“智慧農業”是進入21世紀的第2個10年，在新一代信息技術飛速發展的背景下，結合當前世界范圍內大數據、云計算、移動互聯網等現代信息技術的發展特點和我國農業產業鏈轉型升級發展的現實需要，提出引領農業可持續發展的新理念。它是基于信息技術的現代農田精耕細作技術[1-2]。快速、準確地監測水稻生長環境、長勢狀況是作物栽培調控和生產管理的核心內容，是農業生產管理部門制定決策、施行措施的重要依據，及時獲取農業現場信息是進行現代化農業精準管理的重要基礎，這就需要有更快捷、準確度更高、成本更低廉和多元化信息的支持[1]。進行感知數據匯聚、處理通過農業物聯網獲得的與農田生產相關的客觀數據[2]。進而借助生產管理人員的經驗和智慧來利用好客觀數據進行分析，做出科學、節本、增效的管理決策，再通過精準的農業技術進行部署，從而獲得更高的綜合效益和穩定性[3]。

多旋翼無人機由于結構簡單、價格相對低廉的特點，逐漸應用在智慧農業領域[4]。結合無人機的特點提出一種適用于水稻田環境的空中農業無線傳感網環境監測系統，可作為規模化與集約化農業推動節本、增效，實現農業可持續發展的示范實例。

1 系統架構

基于藍牙低能耗（BLE）技術的傳感網，主要分為主機和從機2個部分，整個系統是由抗高濕傳感器節點、無人機（UAV）中繼器、云端平臺、移動端組成。系統結構如圖1所示[5]。

1.1 總體方案

抗高濕傳感器使用耐候性能較好的亞克力板作為外殼材料密封核心電路，使核心部分與外界完全隔離。對于傳感器部分的防濕處理，采取膠體密封管腳的方式，使它與外部隔離，而傳感器與主控部分連接的導線，采用熱縮管密封[6]。根據具體情況再在外殼內加入適量的干燥劑來去除水汽（圖2）。

采用QAV-250小型四旋翼穿越機為平臺搭載主機通信裝置和SD（安全數碼）卡存儲模塊作為空

中網絡中繼節點的數據接口。通過在稻田環境中接地飛行與田間數據采集節點進行數據交互[7]。它只承擔感知層數據的收集和轉發，并在移動過程中暫存這些數據，最終將數據通過機載通用無線分組業務（GPRS）匯集至云服務器進一步處理（圖3）[8]。

采用OneNET 平臺輔助分析中繼節點上傳數據（圖4），使用平臺配套APP（應用程序）可定制相關應用，方便實時查看（圖5）[9]。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集節點

為簡化設計和接線方便，溫濕度采集使用單總線的DHT1 并采用DS18B20作為輔助溫度測量，

抗高濕傳感器如圖2。DS18B20是常用的數字溫度傳感器，測溫范圍極其寬泛（圖6）。

2.2 存儲模塊

從機采用EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器）存儲芯片用IIC（集成電路）總線方式和CC2541通信，主機用1G大小的SD卡存儲從機節點采集的數據。

2.3 藍牙通信模塊

藍牙主控芯片是TI的CC2541，此芯片是 2.4 GHz 符合低能耗規范和私有的RF片載系統。它支持250 kb/s、500 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s的數據速率，可同時掛載多個不同類型的傳感器模塊。

2.4 GPRS模塊

（1）主控芯片 CC2541 通過向GPRS模塊發送AT（指令）上傳數據AT+CIPSTART=“TCP”，“syau123.bj.bdysite.com”，“80”;AT+CIPSTART 建立連接;AT+CIPSEND。

（2）GPRS以POST方式發送數據[8]。數據采集以及無線通信和執行控制都由CC2541實現。

需要注意的是 CC2541 芯片的工作電壓為 3.3 V，為實現電源的匹配須設計電源匹配電路完成 5.0 V 到3.3 V 的轉換，設計中為主機增加了升壓模塊，其電路如圖7所示。

3 系統軟件設計

3.1 藍牙主機

傳感網主機采用基于OSAL（操作系統抽象層）的CC2541片載系統[10]。系統開機初始化進入搜索發現模式，搜索地面從機信號。設備發現完成后系統進入數據傳輸模式，建立連接開啟數據鏈路接收數據，通過SPI（串行外設接口）通信存儲所收集的數據，數據接收完成后由從機斷開連接，鏈路關閉，延遲等待300 ms重啟搜索發現模式并且屏蔽該設備地址避免重復接收。機載的GPRS可以將暫存在片載flash中的數據備份上傳至云服務器由OneNET平臺可定制應用做可視化分析處理（圖8）。

3.2 藍牙從機

系統上電初始化進入休眠模式開啟廣播，調用周期采集事件，等待主機進入廣播范圍進行連接，配對成功與主機建立連接，藍牙由廣播模式切換為數據傳輸模式，開啟數據鏈路上傳采集數據，已上傳數據等待被復寫。考慮到日常為日間作業，所以通過定時器周期喚醒系統節省電量（圖9）。

3.3 OneNET平臺

OneNET是由我國移動打造的PaaS物聯網開放平臺，平臺能夠幫助個人或企業快速部署設備，實現接入與連接，輕松完成產品開發部署，提供綜合性的物聯網解決方案。

OneNET平臺會提供設備全生命周期管理相關工具，它幫助開發者快速實現成規模的設備的云端管理;它具有開放的API（應用程序編程接口）接口，推進個性化物聯網應用系統的構建（圖10）[11]。

4 測試分析

在沈陽農業大學道南試驗田進行測試試驗，共有9塊試驗田，設置2個采集節點，采集時間為2016年7月20—26日，采樣周期為100 s，使用無人機搭載主機，飛過節點上空接收數據，存儲在SD卡中，采集同一時間2個節點的溫度和濕度。由圖11、圖12可以看出，溫度和濕度曲線變化趨勢基本一致，并且2個節點所測2 000組溫濕度數據偏差不大，誤信率約為4%。通過器件數據手冊得到在理想條件下器件工作的相關數據，包括不同工作狀態的工作電流、傳輸距離、傳輸速率。在完成整機裝配的情況下，由于地上采集節點需要聯網，所以會出現延遲等待（圖13），可以看出建立連接需要 1 600 s 延遲，斷開連接需要300 s延遲，數據延遲為10 s。在實驗室中運用多次測量取平均值的方法，測得系統在不同工作狀態的工作電流如圖14所示，可知在采集狀態下工作電流偏差為1.4 mA，在接受狀態下偏差為1.8 mA，在發送狀態下偏差為 1.8 mA，在休眠狀態下偏差為0.544 mA。在最大功率下測得有效傳輸距離和在最大功率、不同距離下的平均傳輸速率監測數據傳輸速度如表1所示，可以看出實際傳輸距離為3.0 m，理論值為12.5 m，因為此環境監測系統在3.0 m以上，丟包率和錯誤率較高，使準確率較低。數據傳輸速度為 3.2 KB/s，理論上傳輸速度為 4.5 KB/s，偏差為1.3 KB/s。在實測環境下，實現溫濕度信號的采集，數據準確、傳輸穩定，實現了預期對于水稻環境監測的目的。

5 結論

本研究從硬件和軟件2個方面介紹基于無人機中繼平臺的無線傳感器網絡農田環境監測系統，利用多旋翼無人機作為中繼節點，構建水稻環境監測系統，實現大面積、遠距離、低功耗的水稻生長環境監測。該設備將CC2541芯片作為主控，依托光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等模塊采集水稻田生長環境信息，并處理、存儲、傳輸[12]。采用核心芯片與諸多傳感器分離的思想，有效地將作品核心部分遠離高溫、高濕的環境。使用多個紐扣鋰電池供電，加之藍牙4.0自身的低功耗性質，使其具有超長的工作時間。同時，考慮到稻田區域分布分散，同時使用多架無人機時數據不易匯集的情況，為空中中繼節點添加了GPRS上傳數據匯集在云服務器上的功能。該監測物聯網可以克服空間和距離限制，提高自組網靈活性，大幅度延伸傳感網覆蓋程度。

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