龔光軍，謝 暴，徐 娟

(1.安徽職業(yè)技術學院機械工程系,合肥 230051； 2.合肥工業(yè)大學計算機與信息學院,合肥 230009)

無線傳感器在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控中的應用

龔光軍1，謝 暴1，徐 娟2

(1.安徽職業(yè)技術學院機械工程系,合肥 230051； 2.合肥工業(yè)大學計算機與信息學院,合肥 230009)

采用無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控農(nóng)田環(huán)境可以為精準農(nóng)業(yè)提供決策支持。結合傳感器網(wǎng)絡、移動網(wǎng)絡與遠程數(shù)據(jù)庫技術，設計和建立一個能夠同時對大氣溫度、大氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、水溫、光照強度、CO2體積分數(shù)、pH值等8個環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測平臺，通過對系統(tǒng)整體結構以及軟硬件的設計，實現(xiàn)了對農(nóng)作物各種生長情況信息的實時采集、傳輸、遠程監(jiān)測和預測分析。通過各項功能和性能測試，系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務穩(wěn)定可靠。

傳感器網(wǎng)絡；環(huán)境監(jiān)控；農(nóng)業(yè)

0 引言

在精細農(nóng)作和現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，怎樣利用信息技術，采用精細動態(tài)監(jiān)控的方法，針對農(nóng)作物的實時生長情況來管理，更好地收集農(nóng)作物生長的周邊環(huán)境信息，從而達到精準農(nóng)業(yè)對信息收集和感知的需求，提高資源的利用率，促進生產(chǎn)力水平，是當前精準農(nóng)業(yè)的關鍵問題[1-2]。與傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)相比較，無線傳感器網(wǎng)絡在各種惡劣環(huán)境監(jiān)測場合均具有其特殊的優(yōu)勢[3]。通過應用無線傳感器網(wǎng)絡技術，能夠為農(nóng)田信息的實時采集、傳輸、處理、分析提供集成化解決方案，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在各個時期的精準管理和預測預警，具有廣闊的應用前景和研究意義[4]。

近年來，大量學者已經(jīng)開展了無線傳感器網(wǎng)絡技術在農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測領域的應用研究。劉卉等[5]設計了一種基于規(guī)則網(wǎng)格的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點部署方法，為農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測應用中傳感器節(jié)點的合理布局規(guī)劃提供了理論依據(jù)。孫彥景[6]等研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術的農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的智能化和自動化運作。何勇等[7]對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的3個層次分別展開了系統(tǒng)分析，提出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究方向，展望了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的發(fā)展趨勢。徐興等[8]針對山地橘園里面生長環(huán)境氣候復雜多變以及時空變異大的情況，通過對園內(nèi)無線監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化和試驗，實現(xiàn)了橘園各種生長環(huán)境信息的監(jiān)測。

這些學者的研究多關注于無線傳感器網(wǎng)絡架構的設計與實現(xiàn)，也就是說更多的在于驗證農(nóng)田環(huán)境中各類環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸和遠程監(jiān)控功能。傳感器網(wǎng)絡在傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)時往往會有一些奇異數(shù)據(jù)被發(fā)送和傳輸?shù)较到y(tǒng)服務器內(nèi)。事實上，為了更準確地表達環(huán)境參數(shù)的變化情況，對于這些數(shù)據(jù)，在一般的使用過程中，只需進行濾波處理即可，而在其他一些比較特殊的應用中，卻需要特別關注與分析。對于這方面的要求，則需要系統(tǒng)提供對所有傳感器數(shù)據(jù)的分析功能。

鑒于此，本文結合傳感器網(wǎng)絡、移動網(wǎng)絡與遠程數(shù)據(jù)庫技術，設計和建立一個能夠同時對大氣溫度、大氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、水溫、光照強度、CO2體積分數(shù)、pH值等8個環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對農(nóng)作物生長情況信息的實時采集、傳輸、遠程監(jiān)測和分析，為應急指揮做好基礎數(shù)據(jù)儲備，并找出環(huán)境變化給農(nóng)作物生長帶來影響的規(guī)律，為農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)的決策提供了科學依據(jù)。本文研究結果應用在江蘇常州武進區(qū)龍?zhí)逗柲墁F(xiàn)代溫室，性能可靠，同時取得了良好的經(jīng)濟效益。

1 系統(tǒng)總體結構

基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有本質(zhì)區(qū)別。歸納起來，必須包括以下特性：

1)結合農(nóng)田環(huán)境信息和作物生長信息，系統(tǒng)需滿足見表1所示的環(huán)境信息測量項目與范圍，并保證其可靠性。

2)拓展性強，可隨時根據(jù)需要加減傳感節(jié)點的數(shù)量和位置。

3)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，監(jiān)測范圍較廣，能量消耗低，運行時間長，200 m以內(nèi)距離節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，滿足精準農(nóng)業(yè)中對環(huán)境監(jiān)測的要求。

4)系統(tǒng)鋪設需簡潔方便，且不需要鋪設者有過高的專業(yè)技術，能適應各種植被覆蓋的惡劣農(nóng)田環(huán)境。

表1 系統(tǒng)測量的環(huán)境參數(shù)與范圍

基于以上分析，本文設計的系統(tǒng)由4部分組成，分別為傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、GPRS模塊、遠程監(jiān)控平臺。由于農(nóng)田環(huán)境內(nèi)可能存在較多的植被障礙物，且傳輸距離較遠，選擇樹狀拓撲結構作為網(wǎng)絡的拓撲結構，在網(wǎng)絡中設置若干個傳感器節(jié)點和路由節(jié)點以滿足測量要求，設置1個協(xié)調(diào)器節(jié)點與路由節(jié)點進行無線通訊并接收數(shù)據(jù)，如圖1所示。

傳感器節(jié)點：由終端節(jié)點(End Device)與路由節(jié)點(Router)構成。終端節(jié)點負責采集空氣與土壤的實時溫度、光照強度、濕度以及CO2的體積分數(shù)等環(huán)境參數(shù)，并發(fā)送到路由節(jié)點；路由節(jié)點則具備數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

協(xié)調(diào)器節(jié)點：負責ZigBee傳感器網(wǎng)絡的初始化，接受所有節(jié)點發(fā)送來的環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同要求將這些數(shù)據(jù)在本地處理后，經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給遠程監(jiān)控平臺。

GPRS模塊：負責接收從協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)來的串口數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行TCP/IP封裝后，經(jīng)過無線網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)到Internet，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。

遠程監(jiān)控平臺：由數(shù)據(jù)庫服務器和中央計算機兩部分組成，在服務器上部署相關服務，用于連通遠程終端成員提供數(shù)據(jù)服務。遠程監(jiān)控平臺首先要負責進行系統(tǒng)的用戶管理，實現(xiàn)用戶添加、查詢和刪除功能；其次，負責數(shù)據(jù)的存儲和顯示，并將接收到的數(shù)據(jù)繪制成為動態(tài)曲線，通過分析后對環(huán)境參數(shù)采取閾值設置，如果出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)超出設置范圍的情形時提示報警信息，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控農(nóng)作物的生長環(huán)境，最后要負責在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)“底層傳感器—網(wǎng)絡—遠程監(jiān)控”的結構。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 硬件設計與實現(xiàn)

傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)采用基于Zigbee的通信協(xié)議，載波頻段為2.4 GHz，節(jié)點間距約為50～100 m，每個子網(wǎng)由20～40個數(shù)量不等的傳感器節(jié)點組成。由于系統(tǒng)工作環(huán)境為室外農(nóng)田，天氣復雜多變，因此，使用4節(jié)1.5VAA電池供電，并利用穩(wěn)壓芯片使工作電壓穩(wěn)定在3V，協(xié)調(diào)器節(jié)點與路由節(jié)點由太陽能供電和干電池供電，保證其工作電壓為12 V；節(jié)點MAC層使用CSMA/CA協(xié)議，網(wǎng)絡層則使用洪泛協(xié)議。

傳感器節(jié)點由4個模塊組成，分別為傳感器模塊、無線通信模塊、處理器模塊和電源模塊。傳感器模塊負責數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，無線通信模塊負責無線通信，交換控制信息等。處理器模塊負責存儲和處理各種數(shù)據(jù)，電源模塊負責為系統(tǒng)運行提供能量。圖2為傳感節(jié)點的組成框圖。

協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件結構如圖3所示，主要包括3個模塊，即串口模塊、無線收發(fā)模塊和電源管理模塊。其中，無線射頻模塊接收由傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后對其進行簡單的數(shù)據(jù)處理，最后將數(shù)據(jù)傳輸給串口模塊。串口模塊除了與GPRS模塊進行通信，我們還需要頻繁的使用串口模塊進行系統(tǒng)的調(diào)試。本文中選用RS232作為串口模塊的電器標準協(xié)議。

圖2 傳感器節(jié)點框圖

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點結構框圖

本文設計出的系統(tǒng)各節(jié)點硬件實物如圖4所示。圖4(a)圖為傳感器節(jié)點，集成了數(shù)顯式溫濕度一體傳感器，數(shù)字式光照傳感器，pH復合電極以及MG811型CO2體積分數(shù)傳感器，可以實時采集大氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度、光照強度、CO2體積分數(shù)、水溫和pH值等環(huán)境數(shù)據(jù)，并且轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。圖4(b)為協(xié)調(diào)器節(jié)點，它是整個無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)點，主要完成搭建和管理ZigBee無線網(wǎng)絡的一些任務。

(a)協(xié)調(diào)器節(jié)點

(b)傳感器節(jié)點圖4 系統(tǒng)各節(jié)點硬件實物

系統(tǒng)被部署在江蘇常州武進區(qū)龍?zhí)逗柲墁F(xiàn)代溫室中，如圖5(a)所示。為了使通信質(zhì)量得到保證，將協(xié)調(diào)器節(jié)點與傳感器節(jié)點安裝在長約2 m的支架上，如圖5(b)所示。因為距離比較遠，傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關時采用了多跳方式，試驗過程中跳數(shù)最多為5，通信距離約為300 m。

(a)溫室環(huán)境

(b)節(jié)點部署圖5 系統(tǒng)部署在江蘇常州武進區(qū)龍?zhí)逗柲墁F(xiàn)代溫室

在溫室內(nèi)選取中部較為空曠的位置，安裝協(xié)調(diào)器節(jié)點與GPRS模塊，選擇位置主要考慮到協(xié)調(diào)器節(jié)點與所有傳感器節(jié)點進行無線通信，所以選擇較為中間的位置。另外，協(xié)調(diào)器節(jié)點需要進行多次調(diào)試，因此還需考慮位置空曠、方便操作的位置進行安置。而傳感器節(jié)點則按照所測量的參數(shù)不同，分別分布在溫室內(nèi)的各個地區(qū)。

2.2 軟件設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件總體架構包括上位機軟件和下位機軟件兩部分。其中，下位機軟件傳感器節(jié)點的主要功能是控制所搭載的傳感器進行數(shù)據(jù)的測量，將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，除此之外，還需做到發(fā)送時間間隔的可調(diào)性。同傳感器節(jié)點的硬件結構類似，傳感器節(jié)點的程序設計也分為3個部分，分別為傳感器測量程序、數(shù)據(jù)傳輸程序與電源管理程序。

系統(tǒng)下位機程序在硬件完成后已燒寫至協(xié)調(diào)器節(jié)點和傳感器節(jié)點中，在此不做贅述.系統(tǒng)上位機軟件即農(nóng)田環(huán)境遠程監(jiān)控平臺主要包括的功能有：用戶管理、節(jié)點管理、實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、預測分析等。

其中實時監(jiān)測是其中最核心的功能界面之一，如圖6所示。界面左側(cè)是一張放大的曲線圖，用于顯示參數(shù)圖像。界面右側(cè)是設置信息框，用戶可以選擇節(jié)點一、節(jié)點二、節(jié)點三的任意一個或幾個節(jié)點，也可以選擇系統(tǒng)內(nèi)8種參數(shù)中的任一種參數(shù)。在圖中可看到，不同的曲線圖分別顯示不同節(jié)點的溫度參數(shù)的實時數(shù)據(jù)。在一張曲線圖中，Y軸數(shù)據(jù)為該參數(shù)的值，X軸數(shù)據(jù)為監(jiān)測到該參數(shù)的時間。用戶不僅可以看到一個終端節(jié)點在一段時間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，也可以通過縱向?qū)Ρ龋庇^地看到在某一時刻不同的終端節(jié)點的數(shù)值差別，方便用戶快速找出環(huán)境參數(shù)可能存在的問題。

圖6 實時監(jiān)測界面

3 結語

本文提出了一個將環(huán)境傳感器、GPRS模塊、傳感器網(wǎng)絡融為一體的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，用于采集環(huán)境信息和提供實時環(huán)境監(jiān)控和應用服務。每個傳感器節(jié)點的信息遠程傳輸、存儲于遠程數(shù)據(jù)庫并用于遠程監(jiān)控軟件的各項數(shù)據(jù)查詢和分析服務，使用戶可以隨時登錄遠程監(jiān)控平臺掌握農(nóng)田環(huán)境的實時狀態(tài)

變化，并用于走勢預測和預警。相較于傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本文提出的系統(tǒng)更易于安裝和維護。系統(tǒng)已被部署在江蘇常州武進區(qū)龍?zhí)逗柲墁F(xiàn)代溫室，通過4個月的各項功能和性能測試，數(shù)據(jù)服務穩(wěn)定可靠。

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The Application of Wireless Sensor in the Agricultural Environment Monitoring

GONG Guang-jun，et al.

(DepartmentofMechanicalEngineering，AnhuiVocationalandTechnicalCollege，Hefei230051,China)

Using wireless sensor network monitoring farmland environment can provide decision support for precision agriculture.Based on the sensor network，mobile network and the technology of remote database，this paper designs and establishes a farmland environmental monitoring platform，which could monitor eight environmental parameters such as atmospheric temperature，atmospheric humidity，soil temperature，soil moisture，water temperature，light intensity，carbon dioxide concentration，and pH value.Based on the design to the overall structure and the design to hardware and software of the system，it realizes real-time collection，transmission，remote monitoring and forecast analysis to each information condition during the growth of crops.Through various functional and performance testing，it shows that the data service of this system is stable and reliable.

sensor network；environmental monitoring；farmland

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.024

2016-07-04

安徽省質(zhì)量工程項目(2013jyxm383)

龔光軍(1981-),男(漢),湖北天門,講師，碩士 主要研究數(shù)字化設計與制造。

TP277.2

A

1009-8984(2016)04-0092-04