戴振華

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無線傳感器在農業(yè)物聯(lián)網中的應用研究

戴振華

(湖南科技學院 電子與信息工程學院，湖南 永州 425199)

智能控制系統(tǒng)在工業(yè)生產中被廣泛應用，但是農業(yè)生產中應用較少，無線傳感器應用到農業(yè)物聯(lián)網平臺中就更少了。項目設計了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對大棚內的溫度、濕度和光照進行實時分析檢測，通過 CFD 數值模擬的方式，通過網絡將數據傳送到控制中心，從而實現溫度、濕度和光照自動調節(jié)，實現農業(yè)生產過程的可視化動態(tài)控制，為現代化農業(yè)管理改革提供一定的參考。

無線傳感器網絡；農業(yè)；信息化

0　引　言

無線傳感器在農業(yè)物聯(lián)網中的應用具體來講就是在農業(yè)生產、管理、經營和服務中應用到了物聯(lián)網技術，是用多種傳感器設備采集生產過程、動植物本體以及農產品物流等等相關信息，利用傳感器網絡進行數據傳輸，對獲取的農業(yè)信息進行分析處理，然后依據分析結果實現智能化操作管理，從而實現了農業(yè)生產的全過程監(jiān)控、實時信息服務和科學合理決策。

光照、溫度和濕度等條件都影響農作物的生長。一般來講，農業(yè)生產流通個環(huán)節(jié)中，這些數據采集任務很重，而每次都現場采集數據不利于提高農業(yè)生產效率，利用網絡很好地解決了該問題，它可以實現數據的實時傳輸，從而實時了解農業(yè)生產環(huán)境。不過，如果將農業(yè)現場中的各種數據通過有線網絡來進行傳輸，重要的一點是不便于耕作，實現成本也較高，另一方面維護起來也比較困難。

近年來，農業(yè)行業(yè)與信息化的深度融合，農業(yè)生產智能化取得了重要進展，而且體現了我國現代農業(yè)發(fā)展的必然趨勢。而應用成本低、網絡結構靈活的無線傳感器網絡由于數據傳輸距離遠等特點已經在很多工業(yè)生產過程得到了應用。但是，將它應用于農業(yè)中尚不多見。文章給出基于GPRS 技術和無線傳感器網絡(WSN) 的遠程農業(yè)生產過程監(jiān)測系統(tǒng)。

1　無線傳感器農業(yè)物聯(lián)網平臺體系結構

項目中運用的無線傳感器農業(yè)物聯(lián)網網絡是由若干個節(jié)點傳感器和一個起協(xié)調作用的設備組成，節(jié)點傳感器是可以用來采集農業(yè)生產區(qū)域的濕度、光和溫度數據傳感器。節(jié)點傳感器上的傳感器根據采集命令進行農業(yè)生產要素數據采集，設備采集到的農業(yè)要素數據后，對農業(yè)要素數據進行打包，然后將農業(yè)要素發(fā)給中心設備協(xié)調器。協(xié)調器解包農業(yè)要素數據包，形成多個簡化功能設備原始數據，為了數據的有效傳輸，通常對數據進行融合。在該平臺中，GPRS與協(xié)調器通過串口線直接將數據傳給GPRS定位通信模塊，GPRS定位功能模塊首先對傳輸過來的數據進行融合，然后對融合處理過的數據進行再處理，形成能適應于GPRS 網絡傳輸要求的格式，然后進行傳輸，通過有效的GPRS網絡連接互聯(lián)網，從而實現農業(yè)生產過程遠程的PC終端上實時監(jiān)測。這樣，通過無線傳感器網絡技術和GPRS技術的結合形成的農業(yè)物聯(lián)網平臺，既體現了無線傳感器網絡方便廉價傳感器節(jié)點部署的特點，又有效利用了GPRS網絡技術的特點，使無線傳感器網絡傳輸數據的范圍得到了擴展，這樣一來，農業(yè)物聯(lián)網平臺農業(yè)要素很好地進行了傳輸和處理[1]?？傮w上說，系統(tǒng)平臺運行總體方案可以用結構圖1所示。

圖1.無線傳感器農業(yè)物聯(lián)網平臺運行總體方案

2　基于無線傳感器農業(yè)物聯(lián)網平臺設計

文章是根據農業(yè)生產現場生產過程的實際要求，提出了一種無線傳感器農業(yè)物聯(lián)網平臺，該平臺是基于 ZigBee 技術，能夠對農業(yè)生產過程中各環(huán)境參數監(jiān)測并自動化管理的系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)綜合運用了無線傳感器網絡技術，物聯(lián)網技術，長距離數據傳輸技術等等，對于在工業(yè)應用中產生的功耗成本、通信距離短以及系統(tǒng)穩(wěn)定性較差等諸多問題，很好地得到了解決。

2.1農業(yè)物聯(lián)網平臺的設計需求

文章主要任務就是設計出一種應用于農業(yè)生產過程中各種環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡ZigBee。根據農業(yè)生產過程中所需的要素的實際，我們在構建該類農業(yè)生產要素傳感器平臺時，主要是基于如下設計要點[2]：

（1）網絡平臺傳感器節(jié)點體積精細化的要求

實際系統(tǒng)中，我們所設計的ZigBee節(jié)點必須滿足體積較小的特點，以便于在復雜的農業(yè)生產現場大量布置，這樣不僅可以更全面的獲取信息，而且對網絡的重組和移動顯得更加方便。

（2）光照、溫度、濕度等農業(yè)生產要素測量要求

根據農業(yè)產業(yè)要素信息化系統(tǒng)的要求，我們設計的項目應能實時準確地獲取到農業(yè)要素如：光照、溫度、濕度等信息，只有實時獲得了這些農業(yè)信息，農業(yè)生產者才能根據農作物生長的光照、溫度、濕度等環(huán)境參數采取必要的措施。

（3）穩(wěn)定性對于農業(yè)物聯(lián)網平臺來講也顯得相當重要

一般來說，我們設計節(jié)點時，考慮到比較復雜農業(yè)生產的環(huán)境時，都會對節(jié)點的穩(wěn)定性提出必然的要求。為了保證各個硬件組成部分能在復雜農業(yè)生產環(huán)境能正常工作，我們設計節(jié)點時充分考慮了這一點，系統(tǒng)完成后，我們還特意測試了復雜的環(huán)境農業(yè)生產過程中要素的采集處理。

（4）擴展網絡平臺節(jié)點要求

在我們開發(fā)的應用系統(tǒng)中，當該設備系統(tǒng)中需要連接新的平臺節(jié)點時，我們設計的理念是不能對系統(tǒng)作大的改動，因此，對于節(jié)點而言，統(tǒng)一、完整的外部接口設計就是我們可行的選擇，這樣做了之后，我們在原來的節(jié)點上添加新節(jié)點顯得相當方便，這樣一來，我們在新的節(jié)點設計上就不再需要花太多時間。

（5）農業(yè)物聯(lián)網平臺應有低成本要求

農業(yè)是一個薄弱環(huán)節(jié)，如果在農業(yè)生產環(huán)節(jié)中產生了大量的成本，那將使得項目很難推動，因此，我們對于項目的設計考慮是應用在農業(yè)生產上，農業(yè)區(qū)域面積較廣，節(jié)點是隨機大量的布置在廣大區(qū)域中，這樣一來，大量的節(jié)點分布使得每個節(jié)點的制作成本顯得格外重要，節(jié)點的性價比對每個節(jié)點部件來說都有較高的要求。

（6）低功耗節(jié)點的農業(yè)物聯(lián)網平臺

農業(yè)現場一般是無線方式布置的節(jié)點，這樣就使得傳感器節(jié)點由電池供電，電池的使用是有壽命的，這就使得我們在設計該項目時，更多會考慮傳輸網絡和信息采集過程中產生更低的功耗，從而使節(jié)點能更長時間的工作，避免頻繁更換電池。

2.2無線傳感器農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)的總體設計方案

結合 ZigBee 網絡技術，根據農業(yè)環(huán)境要素監(jiān)測處理設計要求，本項目系統(tǒng)采用樹形網絡拓撲模型結構，總體上由路由器節(jié)點、傳感器節(jié)點、總控計算機機和協(xié)調器四部分組成。在該系統(tǒng)平臺中，協(xié)調器用于整個農業(yè)無線傳感器網絡中心節(jié)點，有了該中心節(jié)點，每次產生一個新網絡，而且對網絡的各個連接進行管理，對入網申請進行必要的處理。在平臺中，USB 總線負責提供協(xié)調器節(jié)點能量，同時USB 接口負責將數據送到系統(tǒng)參數監(jiān)控中心[3]。

在整個網絡中，路由器節(jié)點相當重要，它不僅要管理網絡連接，擔任協(xié)調器的角色，同時，它還作為農業(yè)信息化平臺的一個中繼節(jié)點，負責尋找一條最佳數據傳輸路徑，將每個通過它的數據幀其送至最終的平臺上。由于通信距離的限制，使用中繼節(jié)點，使得傳送距離在 80米以內的ZigBee協(xié)議，傳輸的距離得到極大拓展。在設計該平臺時，屬于全功能設備的路由器節(jié)點，我們充分考慮其重要性，能量的供給相當重要，所以由專用電源供電。

在總體設計中，我們考慮設計直接采集農業(yè)要素傳感器節(jié)點時，由于采集光照、溫度、濕度等信息要素時間性要求，為了節(jié)約能量，在系統(tǒng)不需采集數據時，采取節(jié)能技術讓節(jié)點進入不工作狀態(tài)，當系統(tǒng)工作時，由定時器喚醒這些節(jié)點讓其重新恢復工作狀態(tài)，因此，傳感器節(jié)點用兩節(jié)干電池能量供給。

在設計中，我們設計的上位 PC 機位于監(jiān)控中心，通過系統(tǒng)平臺的串口調試工具，我們可以方便地進行顯示來自協(xié)調器上傳的數據信息，而且能夠實時顯示包括傳感器節(jié)點的通信端口號、16 位網絡地址、連接狀態(tài)、64位信MAC 物理地址以及光照、溫度、濕度等傳感器節(jié)點的當前工作狀態(tài)，供農業(yè)生產者決策使用。

3　信息化農業(yè)物聯(lián)網平臺的硬件節(jié)點設計與實現

可以這么說，無線傳感器網絡的基本組成部分是無線傳感器ZigBee節(jié)點，因此，如何選擇節(jié)點元器件，是否考慮了節(jié)能，以及如何定位，相應的模塊電路如何設計，都是硬件節(jié)點設計與實現需要考慮的問題。

無線傳感器網絡ZigBee的硬件設備設計中，我們主要設計的節(jié)點都是嵌入式硬件節(jié)點，有路由節(jié)點、傳感器節(jié)點、協(xié)調器模塊節(jié)點，主要由電源供電模塊、處理器處理模塊、無線參數數據通信模塊以及必要的系統(tǒng)調試模塊組成。此外傳感器節(jié)點還必須具備用于采集光照、溫度、濕度信息的一個模塊；還要具備一個USB接口的協(xié)調器節(jié)點，以便于與計算機實現數據通信。平臺的傳感器模塊主要用于采集農業(yè)現場中的光照、溫度、濕度信息，并對這些數據進行轉換，最后將數據通過無線網絡傳輸到計算機中心，從而實現實時監(jiān)測。在處理器負責控制模塊中，主要布置了進行路由控制的路由協(xié)議模塊、進行定位控制的同步定位模塊、進行能量控制的功耗模塊以及進行任務控制的任務管理模塊等。在硬件設計中，通常負責與其它節(jié)點進行無線通信的無線通信模塊負責發(fā)送采集得到的數據。除此之外，文章還設計兩種調試接口，其中，DC引腳和DD引腳組成Debug接口。DD引腳完成主設備與從設備之間的雙向數據傳輸。SPI接口主要由4個引腳組成。這四個腳分別實施不同的功能，其中四個腳中的MISO腳為主輸入/從輸出信號接口，四個腳中SCLK腳為時鐘信號接口，四個腳中MOSI腳為主輸出/從輸入信號接口，四個腳中/SS腳為使能信號接口。GND、DD、DC、Reset_N是在下載程序或調試過程中，必然進行連接的電源信號和引腳。其中，SPI 的4個引腳可以不接。可以是單獨供電能量提供模式，也可以由仿真器提供。

4　無線傳感器農業(yè)物聯(lián)網平臺節(jié)點軟件設計與實現

完成好節(jié)點的硬件設計后，接下來的工作就應該是進行節(jié)點的軟件設計與實現，僅僅是硬件還不能夠實現數據采集、農業(yè)信息網以及數據的收發(fā)等工作，必須編寫程序來實現。在硬件設計的完成基礎上，使用編程語言開發(fā)程序，可以保證正確完善的運行，同樣也是提高系統(tǒng)關鍵性能所在。

在開發(fā)系統(tǒng)過程中，經過反復論證，由于C語言具有底層開發(fā)和良好的移植性特點，最終，我們選用C語言作為編程開發(fā)語言。不僅如此，我們還選擇移植了TI公司的開發(fā)的 Z-Stack 協(xié)議棧，這主要是基于簡單通用性的考慮，該協(xié)議棧支持CC2430系統(tǒng)片上問題解決方案，從而使我們在開發(fā)系統(tǒng)時大大降低了開發(fā)的難度[4]。

在軟件開發(fā)中，我們所用到的Z-Stack 是裝載在一個基于IAR開發(fā)運行環(huán)境中。IARsystem 公司開發(fā)的IAR Embedded Workbench是一個可以支持超過35種諸如8位/16位的強集成開發(fā)環(huán)境。

文章設計的光照、溫度、濕度無線傳感網絡主要有：傳感器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點和路由器節(jié)點三種設備。其中，路由器節(jié)點在自己的子網中充當協(xié)調器的角色和路由功能，即為通過它的數據參數值找到一條最合適的路徑。在項目設計中，我們考慮數據傳輸時，只需設計傳輸數據到協(xié)議棧，由Z-Stack協(xié)議棧提供路由協(xié)議，并且負責找尋路徑，并將接收的數據送到最終點。因此協(xié)調器節(jié)點和傳感器節(jié)點的程序設計是我們設計的最主要任務。

5　結束語

本文給出了開發(fā)農業(yè)物聯(lián)網智能網絡中涉及的一些基本知識點。項目建立了智能無線傳感器農業(yè)物聯(lián)網網絡結構模型，并對農業(yè)信息化現場的光照、溫度、濕度參數進行了檢測。最后，本項目運行后，通過將模型計算數值與實際測量的數值相比較，其中最小誤差為0.003m/s，最大誤差僅為0.017m/s，從而說明了開發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，這樣就為農業(yè)現代化、信息化管理的更進一步研究提供一定的參考，從而為建立實時、高效、準確的農業(yè)信息化自動化系統(tǒng)發(fā)揮作用。

[1]彭力.物聯(lián)網技術概論[M].北京:北京航天航空大學出版社,2011.

[2]陳一飛,杜尚豐.對農業(yè)大系統(tǒng)控制若干問題的思考[J].農業(yè)工程(創(chuàng)刊號),2011,(1):1-5.

[3]張強,孫雨耕,等.無線傳感器網絡在智能電網中的應用[J].中國電力,2010,43(6):31-36.

[4]李海建,王民,王懷德等.無線傳感器網絡在農田信息采集中的應用[J].農機化研究,2008,(3):187-189.

（責任編校：宮彥軍）

2015－12－26

2014年永州市本級科技創(chuàng)新項目(永財企指[2014]33號)；2015年永州市本級科技創(chuàng)新項目(永財企指[2015]25號)。

戴振華（1981－），男，湖南衡陽人，中南大學計算機應用技術研究生，湖南科技學院講師，研究方向為嵌入式及網絡應用。

TP399

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1673-2219（2016）05-0025-03