李鑫 張黎黎 肖文 易金 劉文達

摘要：針對水稻生長密集、環(huán)境復雜、種植面積大、難以實現(xiàn)人工入田信息采集等問題，基于物聯(lián)網構建水稻環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。采用藍牙低能耗（BLE）通信以多旋翼無人機為中繼節(jié)點進行自組網來收集感知層數(shù)據(jù)，并且可以通過云服務器進行匯集、可視化、存儲，實現(xiàn)了大面積、遠距離、低功耗的水稻生長環(huán)境監(jiān)測。結果表明，在同等條件下，使用該監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)收集方式相比，收集便捷、性價比高。該檢測系統(tǒng)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(huán)境信息監(jiān)測的要求，可在農業(yè)生產中智能化地采集到高分辨率的環(huán)境信息，采集節(jié)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(yè)精準管理的現(xiàn)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(yè);自組網;環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

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(yè)”是進入21世紀的第2個10年，在新一代信息技術飛速發(fā)展的背景下，結合當前世界范圍內大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網等現(xiàn)代信息技術的發(fā)展特點和我國農業(yè)產業(yè)鏈轉型升級發(fā)展的現(xiàn)實需要，提出引領農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新理念。它是基于信息技術的現(xiàn)代農田精耕細作技術[1-2]?？焖佟蚀_地監(jiān)測水稻生長環(huán)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(yè)生產管理部門制定決策、施行措施的重要依據(jù)，及時獲取農業(yè)現(xiàn)場信息是進行現(xiàn)代化農業(yè)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(shù)據(jù)匯聚、處理通過農業(yè)物聯(lián)網獲得的與農田生產相關的客觀數(shù)據(jù)[2]。進而借助生產管理人員的經驗和智慧來利用好客觀數(shù)據(jù)進行分析，做出科學、節(jié)本、增效的管理決策，再通過精準的農業(yè)技術進行部署，從而獲得更高的綜合效益和穩(wěn)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(yè)領域[4]。結合無人機的特點提出一種適用于水稻田環(huán)境的空中農業(yè)無線傳感網環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可作為規(guī)?；c集約化農業(yè)推動節(jié)本、增效，實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的示范實例。

1 系統(tǒng)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(tǒng)是由抗高濕傳感器節(jié)點、無人機（UAV）中繼器、云端平臺、移動端組成。系統(tǒng)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(jù)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(shù)碼）卡存儲模塊作為空

中網絡中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)接口。通過在稻田環(huán)境中接地飛行與田間數(shù)據(jù)采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互[7]。它只承擔感知層數(shù)據(jù)的收集和轉發(fā)，并在移動過程中暫存這些數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)通過機載通用無線分組業(yè)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(jié)點上傳數(shù)據(jù)（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(tǒng)硬件設計

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)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(shù)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(jié)點采集的數(shù)據(jù)。

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(guī)范和私有的RF片載系統(tǒng)。它支持250 kb/s、500 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s的數(shù)據(jù)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(fā)送AT（指令）上傳數(shù)據(jù)AT+CIPSTART=“TCP”，“syau123.bj.bdysite.com”，“80”;AT+CIPSTART 建立連接;AT+CIPSEND。

（2）GPRS以POST方式發(fā)送數(shù)據(jù)[8]。數(shù)據(jù)采集以及無線通信和執(zhí)行控制都由CC2541實現(xiàn)。

需要注意的是 CC2541 芯片的工作電壓為 3.3 V，為實現(xiàn)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(tǒng)軟件設計

3.1 藍牙主機

傳感網主機采用基于OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）的CC2541片載系統(tǒng)[10]。系統(tǒng)開機初始化進入搜索發(fā)現(xiàn)模式，搜索地面從機信號。設備發(fā)現(xiàn)完成后系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)傳輸模式，建立連接開啟數(shù)據(jù)鏈路接收數(shù)據(jù)，通過SPI（串行外設接口）通信存儲所收集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸模式，開啟數(shù)據(jù)鏈路上傳采集數(shù)據(jù)，已上傳數(shù)據(jù)等待被復寫。考慮到日常為日間作業(yè)，所以通過定時器周期喚醒系統(tǒng)節(jié)省電量（圖9）。

3.3 OneNET平臺

OneNET是由我國移動打造的PaaS物聯(lián)網開放平臺，平臺能夠幫助個人或企業(yè)快速部署設備，實現(xiàn)接入與連接，輕松完成產品開發(fā)部署，提供綜合性的物聯(lián)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(fā)者快速實現(xiàn)成規(guī)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(lián)網應用系統(tǒng)的構建（圖10）[11]。

4 測試分析

在沈陽農業(yè)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(jié)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(jié)點上空接收數(shù)據(jù)，存儲在SD卡中，采集同一時間2個節(jié)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(jié)點所測2 000組溫濕度數(shù)據(jù)偏差不大，誤信率約為4%。通過器件數(shù)據(jù)手冊得到在理想條件下器件工作的相關數(shù)據(jù)，包括不同工作狀態(tài)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(jié)點需要聯(lián)網，所以會出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)在不同工作狀態(tài)的工作電流如圖14所示，可知在采集狀態(tài)下工作電流偏差為1.4 mA，在接受狀態(tài)下偏差為1.8 mA，在發(fā)送狀態(tài)下偏差為 1.8 mA，在休眠狀態(tài)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(jiān)測數(shù)據(jù)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在3.0 m以上，丟包率和錯誤率較高，使準確率較低。數(shù)據(jù)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(huán)境下，實現(xiàn)溫濕度信號的采集，數(shù)據(jù)準確、傳輸穩(wěn)定，實現(xiàn)了預期對于水稻環(huán)境監(jiān)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用多旋翼無人機作為中繼節(jié)點，構建水稻環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)大面積、遠距離、低功耗的水稻生長環(huán)境監(jiān)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(huán)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(huán)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(qū)域分布分散，同時使用多架無人機時數(shù)據(jù)不易匯集的情況，為空中中繼節(jié)點添加了GPRS上傳數(shù)據(jù)匯集在云服務器上的功能。該監(jiān)測物聯(lián)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。

參考文獻：

[1]何 玲，陳長喜. 生豬屠宰自動化監(jiān)管系統(tǒng)的物聯(lián)網構建[J]. 江蘇農業(yè)科學，2017，45（17）：196-199.

[2]唐英姿，蔣 峰. 遠程無線高精度溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 江蘇農業(yè)科學，2017，45（15）：217-222.

[3]梁莉娟. 基于Android的農業(yè)溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 江蘇農業(yè)科學，2017，45（15）：206-209.

[4]白雪琛. 無人機多余度飛行控制系統(tǒng)設計與應用研究[D]. 杭州：浙江大學，2017.

[5]鄒向陽，譚 彬，何青云. 無線傳感器節(jié)點中的BLE藍牙低功耗研究[J]. 現(xiàn)代電子技術，2016，39（20）：67-71，77.

[6]馮榮華. 農田環(huán)境的無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D]. 福州：福建農林大學，2017.

[7]孫玉文. 基于無線傳感器網絡的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D]. 南京：南京農業(yè)大學，2013.

[8]劉媛媛，朱 路，黃德昌. 基于 GPRS 與無線傳感器網絡的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 農機化研究，2013，35（7）：229-232.

[9]韓文霆，吳普特，郁曉慶，等. 農業(yè)環(huán)境信息無線傳感器網絡監(jiān)測技術研究進展[J]. 農業(yè)工程學報，2011，27（增刊2）：326-330.

[10]徐顯榮，高清維，李中一 .一種用于農業(yè)環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（7）：98-100.

[11]劉志強. 基于無線傳感器網絡的倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D]. 長沙：國防科學技術大學，2008.

[12]魏登峰. 精細農業(yè)向智慧農業(yè)演進發(fā)展的趨勢——訪中國工程院院士汪懋華[J]. 農村工作通訊，2016（10）：22-24.