周達(dá)明
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成,通過無線通信方式形成一個多跳的自組織智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這是一種全新的信息獲取和處理技術(shù),在現(xiàn)實(shí)生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,正逐步深入到人類生活的各個領(lǐng)域,比如軍事偵察、醫(yī)療護(hù)理、建筑結(jié)構(gòu)等等。智能種植也是一類典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的信息采集與處理提供了新的思路和有力手段。
一、應(yīng)用背景
該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前景受各方關(guān)注。在美國,英特爾建立了一個無線葡萄園。傳感器被分布在葡萄園的每個角落,每隔一分鐘檢測一次土壤溫度,以確保葡萄的健康生長,進(jìn)而獲得可觀的產(chǎn)量。在此基礎(chǔ)上,研究人員建立一種系統(tǒng),用于監(jiān)視每一傳感器區(qū)域的溫度,以及該地區(qū)有害物的數(shù)量。他們甚至計(jì)劃在家畜上使用傳感器,以便可以在巡邏時搜集必要信息。這些信息將有助于開展高效率的灌溉和噴灑農(nóng)藥,進(jìn)而降低成本,確保農(nóng)場獲得高效益。
國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“西北優(yōu)勢農(nóng)作物生產(chǎn)精準(zhǔn)管理系統(tǒng)”實(shí)施以來,主要針對西部地區(qū)優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品蘋果、獼猴桃、番茄等主要農(nóng)作物,以及西部干旱少雨的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)開展專項(xiàng)技術(shù)研究、系統(tǒng)集成與典型應(yīng)用示范,成功將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成功應(yīng)用于精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。這個實(shí)時采集作物生長環(huán)境的傳感網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn),為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供了新的技術(shù)支撐。
二、需求分析
①網(wǎng)絡(luò)性:節(jié)點(diǎn)必須能夠自組織地形成采集、處理和收發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),這就要求節(jié)點(diǎn)必須要有足夠的存儲空間和數(shù)據(jù)采集、處理速度等。
②小型化:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用要求節(jié)點(diǎn)的體積足夠小,以保證不會對目標(biāo)系統(tǒng)本身的特性造成影響。
③低成本:低成本是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本要求,也是大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的前提,因此必須保證低成本。
④低功耗:由于設(shè)備的體積有限性及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測環(huán)境的特殊性,不可能使用通常的工業(yè)電能,只能靠電池長期供電,所以要使用低功耗的器件以節(jié)約能源。
⑤穩(wěn)定性:要求節(jié)點(diǎn)的各個部件都能夠在給定的外部環(huán)境變化范圍內(nèi)正常工作,農(nóng)機(jī)的田間作業(yè)和各種天氣條件也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要謹(jǐn)慎考慮的因素,在硬件出現(xiàn)問題時能夠通過軟件及時感知并采取積極的措施。
三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
綜合分析上述應(yīng)用特點(diǎn),借鑒互聯(lián)網(wǎng)上的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心兩部分組成,無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由分布在農(nóng)田中多個智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成,實(shí)時采集土壤水分、土壤溫度參數(shù),基于ZigBee無線通信協(xié)議組建Mesh網(wǎng)絡(luò),所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)最終路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將全部數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信傳輸方式轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心,監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均采用太陽能供電模式,遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲和進(jìn)一步的分析。
四、農(nóng)田監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
1.傳感器節(jié)點(diǎn)
傳感器節(jié)點(diǎn)是一個微型的嵌入式系統(tǒng),具有一定的處理能力和通信能力。傳感器節(jié)點(diǎn)控制板采用太陽能電源組件供電,支持傳感器數(shù)據(jù)采集,通過串行端口與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)程序下載。土壤水分傳感器采用FDS系列水分傳感器,運(yùn)用頻域方法測量含水土壤混合體的介電常數(shù),獲得土壤水分,土壤溫度傳感器采用基于半導(dǎo)體PN級測量原理的ST10,將不同傳感器分別連接到節(jié)點(diǎn)控制板的傳感器接口,經(jīng)信號調(diào)理后接入A/D通道,通過標(biāo)定曲線轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的測量參數(shù)値。
2.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)
·無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚。通過異步串行端口連接作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的無線通信模塊,網(wǎng)絡(luò)協(xié)同器功能由板載程序自行完成,族入式Linux只需完成串口數(shù)據(jù)通信功能。
·GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)現(xiàn)GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信需要自下而上完成驅(qū)動層、協(xié)議層和應(yīng)用層設(shè)計(jì);嵌入式Linux內(nèi)核支持PPP協(xié)議和TCP/IP協(xié)議,在編譯Linux內(nèi)核時選中支持這些選項(xiàng);應(yīng)用層在網(wǎng)絡(luò)連接建立后,具體實(shí)現(xiàn)向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能。
·傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)本地存儲。采用了USB接口存儲方式,具有容量大、可擴(kuò)展、熱插拔的優(yōu)點(diǎn)。
·電源輸入。供電部分仍采用太陽能電源,由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能耗較大,選擇合適功率的太陽能電源組件,同時還需要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化,以降低能耗。
五、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵技術(shù)
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心為一臺具有固定公網(wǎng)IP地址的計(jì)算機(jī),在其上運(yùn)行的基站數(shù)據(jù)管理軟件是該部分的核心。
基站數(shù)據(jù)管理軟件實(shí)現(xiàn)對分布在農(nóng)田中的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所采集的定點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時空分析。集成地理信息系統(tǒng)提供制圖、數(shù)據(jù)編輯的基本功能,還支持空間分析和3D分析等高級操作功能?;緮?shù)據(jù)管理軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲和時空分析,根據(jù)功能需求,劃分成如下模塊:
(1)數(shù)據(jù)接收模塊。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與基站之間采用C/S客戶端服務(wù)器工作模式,監(jiān)聽本地IP地址的綁定端口,在確認(rèn)客戶端即網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的連接請求后,接收數(shù)據(jù),并根據(jù)自定義數(shù)據(jù)包協(xié)議完成數(shù)據(jù)解析。
(2)數(shù)據(jù)庫存儲模塊。根據(jù)數(shù)據(jù)的采集時間,采用時段劃分的數(shù)據(jù)存儲管理方式,將解析數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫對應(yīng)表格的對應(yīng)屬性字段中。
(3)監(jiān)測量時間變化分析模塊。從數(shù)據(jù)庫表中讀取監(jiān)測量數(shù)據(jù),以時間為橫軸,繪制監(jiān)測量隨時間變化的曲線,分析監(jiān)測量連續(xù)變化的特性。
(4)監(jiān)測量空間變異分析模塊。與災(zāi)害預(yù)警應(yīng)用不同,農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測旨在通過節(jié)點(diǎn)位置上的環(huán)境變量采樣估計(jì)其他非節(jié)點(diǎn)位置上的數(shù)據(jù),生成環(huán)境變量的空間分布圖,目前在每個節(jié)點(diǎn)中嵌入GPS模塊,成本過高且無必要,因此系統(tǒng)借鑒土壤柵格采樣策略,根據(jù)預(yù)先的部署設(shè)計(jì)將節(jié)點(diǎn)安裝在網(wǎng)格中,利用GPS測量節(jié)點(diǎn)的精確位置,并將節(jié)點(diǎn)名稱和位置信息輸入到基站數(shù)據(jù)管理軟件中,生成傳感器節(jié)點(diǎn)圖層,用設(shè)定時間間隔所接收到的最新節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時更新節(jié)點(diǎn)圖層中土壤濕度、土壤溫度等監(jiān)測量字段數(shù)據(jù),通過空間分析模塊實(shí)現(xiàn)空間插值。獲得任意時段的監(jiān)測量空間分布。
六、可能存在的問題
(1)對于同一塊農(nóng)田,低功率模塊通信覆蓋范圍小,提高節(jié)點(diǎn)部署密度,必然增加投入成本,但有利于保證環(huán)境監(jiān)測變量的采樣密度;高功率模塊可以較好地保證網(wǎng)絡(luò)連通性,降低成本,但可能導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)失去空間相關(guān)性,因此節(jié)點(diǎn)部署需綜合分析通信和采樣兩個因素。
(2)針對農(nóng)田具體覆蓋作物,設(shè)計(jì)適宜的節(jié)點(diǎn)天線放置高度,有利于減少信號傳輸?shù)穆窂綋p牦。
(3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,每個作為終端設(shè)備的傳感器節(jié)點(diǎn)在有效通信范圍內(nèi)至少能夠與兩個以上的作為路由器的傳感器節(jié)點(diǎn)通信,以保證一條鏈路出現(xiàn)故障時不會影響到整個網(wǎng)絡(luò)。
七、結(jié)語
分析農(nóng)田環(huán)境的應(yīng)用需求,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)由土壤溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心兩部分組成的農(nóng)田監(jiān)測系統(tǒng)。廣域采集、實(shí)時傳輸?shù)霓r(nóng)田信息化管理解決方案是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)方面的重要應(yīng)用示范之一。
我國是一個農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)對國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。在目前農(nóng)業(yè)自然資源不斷減少,國內(nèi)需求量逐年增加的情況下,農(nóng)業(yè)想要進(jìn)一步發(fā)展,就必須要求創(chuàng)新革新,推動農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化、信息化發(fā)展。傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的信息采集與處理提供了新的思路和高效的手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新的技術(shù),還有許多課題的研究需要科技工作者堅(jiān)持不懈的努力。相信在各界人士的奮斗之下,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會更好、更廣地應(yīng)用于各個行業(yè),造福于社會。