無線傳感技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

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摘要：隨著我國農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，先后出現(xiàn)了一系列高精尖農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，能夠智能、精準地完成包括蔬菜大棚溫度監(jiān)測等在內(nèi)的眾多工作，從而有效提高了農(nóng)作物產(chǎn)量。在這一背景下，本文以無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主要研究對象，在對無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行簡要介紹的基礎(chǔ)上，嘗試針對蔬菜溫室大棚設(shè)計一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并對其在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的實際應(yīng)用進行簡要分析，為相關(guān)研究人員提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；設(shè)施農(nóng)業(yè)；智能控制；溫室大棚

目前，國內(nèi)外有眾多研究人員通過對無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)展開研究，證明其能夠有效為設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐，有助于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效率的大幅度提高，全面提升設(shè)施農(nóng)業(yè)管理水平。但是，由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國的發(fā)展尚處于初級階段，因此在其應(yīng)用過程中還存在部分問題亟待解決。

一、無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述

現(xiàn)階段，絕大多數(shù)研究人員認為所謂的無線傳感網(wǎng)絡(luò)指的就是一種以片上系統(tǒng)及微機電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，融合了無線通信技術(shù)以及功耗較低的嵌入式技術(shù)等在內(nèi)眾多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而發(fā)展生成的新型應(yīng)用技術(shù)。其主要是通過在檢測區(qū)域當中布設(shè)各種微型傳感器，通過運用傳感器技術(shù)及信息技術(shù)實時采集溫濕度等各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并搭配使用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將原本分散的微信傳感器節(jié)點相互連接，進而構(gòu)成一個完整的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。在路由協(xié)議的作用下，將多調(diào)跳中轉(zhuǎn)者節(jié)點中轉(zhuǎn)至Sink節(jié)點上，最終向遠程控制中心傳輸采集獲取的數(shù)據(jù)。由管理節(jié)點負責(zé)對數(shù)據(jù)進行接收以及分析處理。圖1即為無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

二、蔬菜溫室大棚無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

（一）硬件設(shè)計

1.傳感器節(jié)點

以蔬菜溫室大棚為例，在設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)的過程中，在硬件部分的傳感器節(jié)點設(shè)計上，嘗試運用UNIT無線通訊協(xié)議，從而使得各傳感器節(jié)點之間能夠?qū)崿F(xiàn)自由通信傳輸。該種通訊協(xié)議采用了433MHz和470～510MHz等頻段，穿障能力較強，并且傳輸距離至少可以達到500m，可以同時支持包括星型、樹型等在內(nèi)的眾多網(wǎng)絡(luò)拓撲，構(gòu)建超過1000個節(jié)點的大規(guī)模應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。此次設(shè)計使用的智能芯片是一種采用片上系統(tǒng)與UNIT無線通訊協(xié)議，實現(xiàn)包括工業(yè)級增強型微處理核、2.4GHz直接系列擴頻RF收發(fā)器等高度集成化，擁有超過20個通用接口且可以同時支持4種供電模式，無線接收靈敏度較高，不易受到外界因素的干擾影響，傳輸距離在75m以上，最高傳輸速率可以達到250Kbps的芯片。其工作溫度最低可達到-40℃，最高可達到125℃，工作電壓在2.0～3.6V。并且為了能夠有效保3.傳感器節(jié)點在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫濕度、光障其可以長時間運行，在電源模塊當中同時使用了可充電電池及太陽能電池，并搭配使用電源管理單元。

2.網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點

在設(shè)計網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點時，選擇使用具有功耗較低但性能較高特性的CMOS芯片，即DM9161，其即可以滿足10M以太網(wǎng)傳輸，同時也支持100M以太網(wǎng)傳輸。在將其與相應(yīng)通訊接口進行直接連接下，成為網(wǎng)絡(luò)物理層接口，監(jiān)測得到的通信流量及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)信息則直接在顯示模塊當中實現(xiàn)可視化呈現(xiàn)，為后期安裝調(diào)試無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及診斷網(wǎng)絡(luò)故障提供便利。照以及土壤的水分和養(yǎng)分含量等各項參數(shù)均會對農(nóng)作物的生長以及設(shè)施農(nóng)業(yè)自身發(fā)展起到相應(yīng)的影響作用。考慮到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中使用了電池供電方式，因此，在設(shè)計傳感器時還需要對包括功耗等在內(nèi)的眾多因素進行充分考量[2]。此外，由于各參數(shù)測點在分布及數(shù)量配置上存在一定的差異性，因此，在節(jié)點布設(shè)的過程中應(yīng)結(jié)合實際情況進行適當整合，使得傳感器節(jié)點能夠得到重復(fù)循環(huán)使用，以有效降低設(shè)計成本。例如，在溫度節(jié)點設(shè)計上，可以采用單總線數(shù)字式DS18B20溫度傳感器進行溫濕度的實時、精準測定。該溫度傳感器的測溫范圍在-55～125℃，精度誤差控制在±0.5℃，響應(yīng)時間不超過1s，最高分辨力可以達到±0.0625℃。而在土壤水分傳感器設(shè)計上，則可以通過選擇使用適用范圍較廣的AQUA-TEL，其測量范圍在0%～100%，誤差不超過3%，而重復(fù)性誤差更是低于1%。通過利用生物傳感器或是離子傳感器便可以有效地對土壤的有機質(zhì)含量、酸堿度及氮磷鉀含量等進行實時、精準測定。

（二）軟件設(shè)計

1.監(jiān)控系統(tǒng)軟件

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計方面，通過參考其他相關(guān)研究資料，選擇運用模塊化的設(shè)計理念，通過利用VC編程軟件及SQL數(shù)據(jù)庫軟件，使得監(jiān)控系統(tǒng)中各項節(jié)點數(shù)據(jù)均能夠得到及時存儲及準確讀取，所有參數(shù)均能夠得到有效控制。該監(jiān)控系統(tǒng)主要由通信及顯示模塊、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫管理、查詢模塊和控制模塊共同組成，并利用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將監(jiān)控系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)專家決策系統(tǒng)進行有機連接，從而使得在溫室大棚運用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下，借助各傳感器獲取的溫濕度數(shù)據(jù)、土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)庫將對其展開深入分析研究并整合農(nóng)業(yè)專家的決策意見，最終真實反映溫室大棚農(nóng)作物的生長情況以及噴灌、施肥等實際情況，并對溫濕度調(diào)控等提出合理化建議。

2.主程序設(shè)計

為了使平均網(wǎng)絡(luò)功耗降至最低，真正實現(xiàn)自適應(yīng)組網(wǎng)，在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主程序設(shè)計中，該文使用了基于LEACH的自適應(yīng)分簇拓撲算法，在對簇頭進行有效確定的基礎(chǔ)上，負責(zé)對簇區(qū)域中的各項數(shù)據(jù)進行搜集整理與有效融合，最后直接將其傳輸至匯聚節(jié)點中，完成選擇路由等各項相關(guān)工作。具體來說，當完成硬件的初始化之后，需要對無線通訊協(xié)議進行初始化并搜索網(wǎng)絡(luò)，確定加入網(wǎng)絡(luò)后進行開中斷，從而使得傳感器節(jié)點得以進入休眠狀態(tài)。當被喚醒后，立刻進行關(guān)中斷操作，并確定事件句柄，此時需要通過對各項關(guān)鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集及傳輸，在此過程中會自動動態(tài)生成簇頭，一旦簇頭丟失，需要重新選舉簇頭并對路由表進行更新，確定事件句柄后再次開中斷即可。

三、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的實際應(yīng)用

（一）無線傳感監(jiān)控體系

1.體系結(jié)構(gòu)

在將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的過程中，農(nóng)戶需要將UNIT無線傳感器裝設(shè)在溫室大棚當中，并將UNIT無線傳感器作為節(jié)點，從而依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立一個全覆蓋的無線傳感數(shù)據(jù)網(wǎng)。在普通花卉或是果蔬溫室大棚中，則需要建立包括溫濕度及光照等在內(nèi)的基本傳感節(jié)點；而對于無土栽培及水產(chǎn)養(yǎng)殖等特殊農(nóng)業(yè)大棚，則需要在大棚中設(shè)置溫度、溶解氧及酸堿度等在內(nèi)的傳感節(jié)點，并專門配置液晶顯示屏及各項生理傳感器，用以實時監(jiān)測大棚中的有害氣體、水濁度、土壤營養(yǎng)成分以及蒸騰量、果實與莖稈的膨大和生長速度等[3]。通過依照相關(guān)標準，在規(guī)定位置處設(shè)置一定數(shù)量的不同類型的無線節(jié)點傳感器后，在對各項重要的環(huán)境參數(shù)、生理參數(shù)等進行及時搜集整理后，直接傳輸至農(nóng)業(yè)智能專家系統(tǒng)中，交由農(nóng)業(yè)專家進行科學(xué)、系統(tǒng)分析，從而準確了解大棚內(nèi)各項農(nóng)作物的實際生長情況與整體環(huán)境情況，判斷出具體的種養(yǎng)問題。最后利用無線網(wǎng)絡(luò)以短信等方式告知設(shè)施大棚農(nóng)戶及當?shù)剞r(nóng)業(yè)作業(yè)者，為其提供必要的技術(shù)咨詢與指導(dǎo)服務(wù)。圖4為利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。

2.應(yīng)用價值

通過利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及UNIT通信協(xié)議，并將大量不同類型的傳感器節(jié)點設(shè)置在農(nóng)業(yè)大棚中，單節(jié)點傳輸距離最少能夠達到2km，將傳感器節(jié)點進行相互連接，能夠形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)，由此有效擴大對設(shè)施農(nóng)業(yè)的監(jiān)控范圍。此外，無線傳感技術(shù)與UNIT通信協(xié)議的靈活運用，使得設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的容錯特性，且系統(tǒng)軟件及硬件的魯棒性相對較高，即便在高溫、低溫或是高壓等特殊環(huán)境下，同樣不會受到干擾影響，可以動態(tài)精準地監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚中的各項環(huán)境參數(shù)及農(nóng)作物的生理參數(shù)[4]。通過利用以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)具體的信道分布情況實時采集關(guān)于設(shè)施農(nóng)業(yè)的各項重要參數(shù)并對其進行匯總整理，可以在保障數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性與及時性的基礎(chǔ)上，為提高設(shè)施農(nóng)業(yè)管理水平發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ)。此外，該文所設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，各UNIT節(jié)點工作電流峰值均不超過30mA，其在處于休眠狀態(tài)時電流不超過10μA，如果將采樣頻率設(shè)定為每隔5min工作3s，則該系統(tǒng)使用2節(jié)800mAh電池能夠持續(xù)不間斷地工作3個多月，在對節(jié)點傳輸距離進行優(yōu)化配置后，同樣可以達到有效控制無線傳輸功耗的效果。通過應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，農(nóng)戶可以根據(jù)其獲取的各項重要參數(shù)掌握農(nóng)作物的具體生長情況及設(shè)施栽培成效，尤其是系統(tǒng)智能診斷種養(yǎng)問題，并集合農(nóng)業(yè)專家決策的功能，可以有效達到防范溫室災(zāi)害，避免出現(xiàn)作物減產(chǎn)減收，從而幫助農(nóng)戶達到經(jīng)濟效益最大化的根本目的。

（二）技術(shù)應(yīng)用存在的問題

在應(yīng)用過程中筆者發(fā)現(xiàn)，目前有部分傳感器如二氧化碳傳感器及通訊模塊的投入成本較高，對于廣大農(nóng)戶而言，只有當應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲得的經(jīng)濟效益比投入成本高時，才會選擇在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用這一技術(shù)。因而未來在將該技術(shù)應(yīng)用在設(shè)施農(nóng)業(yè)中時，還需要重點加強對成本控制的深入研究，采取優(yōu)化傳感器選型或是對其進行節(jié)能改造等方式，以降低成本。此外，目前我國絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)大棚并不專門提供電源，因此，在應(yīng)用無線傳感節(jié)點時需要使用電池對其進行長期供電，如何有效延長無線傳感節(jié)點供電時長，并盡可能減少節(jié)點能源消耗也是影響該技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

四、結(jié)語

該文針對農(nóng)業(yè)溫室大棚設(shè)計了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過利用UNIT無線通信協(xié)議以及各種不同類型的傳感器節(jié)點，對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件和硬件進行合理設(shè)計，證明無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠有效防范溫室災(zāi)害，幫助農(nóng)戶動態(tài)化監(jiān)控溫室大棚環(huán)境及作物生長情況，具有強大的經(jīng)濟效益。但其在未來的應(yīng)用過程中，需要集中解決成本較高、能源消耗大等問題。

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作者：范士建 單位：山東省濟南市長清區(qū)文昌街道辦事處農(nóng)機站