陳燕華，馬 萱，李 燕

（重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校，重慶 400053）

0 引言

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益仍然非常低下，其主要原因是農(nóng)民無(wú)法根據(jù)不同農(nóng)田的實(shí)際需要進(jìn)行合理的施肥、灌溉和施藥等農(nóng)事活動(dòng)。灌溉過(guò)量造成水資源浪費(fèi)，施肥不當(dāng)嚴(yán)重污染農(nóng)田環(huán)境。而水資源和農(nóng)田資源都是當(dāng)今緊缺的自然資源。

如何在有限的農(nóng)田資源基礎(chǔ)上，借助先進(jìn)的信息技術(shù)提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益以達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的，已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中必須解決的重大問(wèn)題。目前，以現(xiàn)代化信息技術(shù)為特點(diǎn)的精確農(nóng)業(yè)可以有效地解決上述問(wèn)題。精確農(nóng)業(yè)的核心是利用信息技術(shù)精確、及時(shí)地獲取農(nóng)田中每個(gè)小區(qū)土壤、環(huán)境以及作物的信息，診斷作物的生長(zhǎng)情況和產(chǎn)量在空間上差異的原因;并單獨(dú)對(duì)每個(gè)小區(qū)做出決策，準(zhǔn)確地在每個(gè)小區(qū)上進(jìn)行合理的灌溉、施肥、噴藥等操作，以達(dá)到最大限度地提高水、化肥以及農(nóng)藥的利用效率，增加作物產(chǎn)量，減少環(huán)境污染，促進(jìn)土地集約利用的目的。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是二十世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是集傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)以及通信技術(shù)于一體的新型產(chǎn)物，可以實(shí)時(shí)地采集周?chē)h(huán)境的信息，并通過(guò)無(wú)線通信協(xié)議將采集的信息傳送給用戶，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很好地應(yīng)用于精確農(nóng)業(yè)中，實(shí)時(shí)地獲取農(nóng)田土壤、環(huán)境以及作物的信息，并通過(guò)無(wú)線通信協(xié)議即時(shí)發(fā)送給用戶，為用戶提供現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化管理。

本文提出一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精確農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于完全自治的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)配備多個(gè)傳感器用于實(shí)時(shí)地采集與土壤有關(guān)的溫度和濕度等參數(shù)，可為農(nóng)業(yè)管理提供一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，并為農(nóng)民提供大量的信息，以便評(píng)價(jià)灌溉流量和耕地產(chǎn)量之間的關(guān)系。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

微機(jī)電系統(tǒng)和納米機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展促進(jìn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和居民生活中。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由多個(gè)小傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，該傳感器成本低，容易部署，而且功耗低［1］。一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)必須由四個(gè)主要部件組成，分別是數(shù)據(jù)采集單元、內(nèi)存與處理器單元、通信單元以及供電單元。數(shù)據(jù)采集單元是由一系列傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。傳感器感應(yīng)周?chē)h(huán)境的信息，將獲取的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)以便進(jìn)一步處理和存儲(chǔ)。在處理單元中，對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理以便與其他傳感器節(jié)點(diǎn)通信。供電單元采用太陽(yáng)能電池或者AA大小的蓄電池［2］。供電單元影響傳感器節(jié)點(diǎn)的大小。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被用在農(nóng)業(yè)中以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和作物產(chǎn)量。它通過(guò)采集農(nóng)田土壤、環(huán)境以及作物的信息并經(jīng)由無(wú)線通信協(xié)議發(fā)送給用戶，用戶根據(jù)農(nóng)田的實(shí)際需求情況進(jìn)行合理的灌溉、施肥以及噴藥等操作。現(xiàn)在對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中于精確農(nóng)業(yè)。精確農(nóng)業(yè)指的是感應(yīng)、采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制工作臺(tái)，控制工作臺(tái)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行決策制定。感應(yīng)數(shù)據(jù)主要包括環(huán)境條件，如氣候溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤濕度、土壤的物理和化學(xué)特性等。蔬菜、植物的圖像通常也被采集和識(shí)別以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收割。Siuli Roy和Bandyopadhyay在2008年開(kāi)發(fā)了一種體系結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)無(wú)線的方式把感應(yīng)數(shù)據(jù)從農(nóng)田發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。其中，傳感器被用來(lái)測(cè)量四種參數(shù)，分別是土壤ph值、電導(dǎo)率、土壤溫度以及土壤含水量。Jzau-Sheng Lin和Chun-Zu Liu提出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)地信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用片上系統(tǒng)平臺(tái)發(fā)展精確農(nóng)業(yè)，大大減少成本和節(jié)點(diǎn)大?。?］。Hui Liu等人于2009年設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)作物環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)天線高度是保證可靠通信的一個(gè)重要因素。N.A.Borghese等人采用圖像傳感器對(duì)農(nóng)作物昆蟲(chóng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控［4］。Dursen和 Ozden開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)灌溉系統(tǒng)并將它用于監(jiān)控矮小的櫻桃樹(shù)。該系統(tǒng)感應(yīng)特殊區(qū)域的水量并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)水滴灌溉。Xinjian Xiang使用模糊控制算法設(shè)計(jì)了一套Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)水滴灌溉。該系統(tǒng)測(cè)量土壤濕度、溫度、光線強(qiáng)度和電導(dǎo)率四個(gè)參數(shù)，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行水滴灌溉決策制定［5］。

2 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)由27個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)配備5個(gè)型號(hào)為Decagon EC-5的土壤濕度傳感器;1個(gè)基于SHT75傳感器的土壤溫度計(jì);以及1個(gè)用于監(jiān)控樹(shù)干直徑變化的測(cè)量?jī)x。

這些傳感器通過(guò)輸入/輸出接口連接到Tiny-Node無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上。該平臺(tái)上的電源供應(yīng)子系統(tǒng)由一塊鉛蓄電池(6V，4.5A/h);一塊電壓為7V能夠提供250mA電流的太陽(yáng)能電池板;以及一塊電壓為3V、基于雙頻高效率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的DC/DC轉(zhuǎn)換器組成。

為了保證更有效的電源管理，并為傳感器提供2.5V穩(wěn)定電源，本系統(tǒng)采用了第二塊DC/DC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)探測(cè)流程啟動(dòng)時(shí)，只需通過(guò)CMOS開(kāi)關(guān)就可以打開(kāi)電壓調(diào)節(jié)器。最后，為了探測(cè)8個(gè)模擬輸入信道，本系統(tǒng)采用了一個(gè)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制的額外低電阻模擬多路復(fù)用器。

探測(cè)流程每十分鐘(采樣時(shí)間)啟動(dòng)一次。在這段時(shí)間，傳感器節(jié)點(diǎn)是處于低功耗操作模式(同時(shí)也稱作“睡眠模式”)，并且所有不必要的模塊都處于關(guān)閉狀態(tài)，比如射頻模塊和傳感器。

用戶可以根據(jù)需要自行調(diào)整采樣時(shí)間。當(dāng)土壤濕度傳感器測(cè)量出的濕度發(fā)生快速變化時(shí)，為了更準(zhǔn)確地監(jiān)控當(dāng)前的狀態(tài)，采樣時(shí)間可以自動(dòng)變化。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)的功耗非常低，電流大約只有80微安，電壓6V。而且，此時(shí)的鉛蓄電池通過(guò)太陽(yáng)電池板進(jìn)行充電。

當(dāng)睡眠模式計(jì)時(shí)器到期后，探測(cè)流程就開(kāi)始啟動(dòng)，2.5V的電壓調(diào)節(jié)器也自動(dòng)開(kāi)啟。經(jīng)過(guò)5s的預(yù)熱時(shí)間后，所有的傳感器按順序逐個(gè)被詢問(wèn)。在這個(gè)階段，功耗大約是120mA，對(duì)應(yīng)的電壓是6V。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)收集與電池電壓相關(guān)的數(shù)據(jù)、太陽(yáng)電池板提供的電流、內(nèi)部電壓、以及微控制器的溫度。除了傳感器輸入信號(hào)的電壓，土壤濕度傳感器以及植物直徑生長(zhǎng)測(cè)量?jī)x的電源供應(yīng)設(shè)備的電壓也要進(jìn)行采集，以便實(shí)時(shí)地補(bǔ)償測(cè)量數(shù)據(jù)。

根據(jù)要求覆蓋區(qū)域的維度，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以組織成星型或者多跳型拓?fù)?。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，我們使用工作在868MHz的ISM頻段中的傳感器節(jié)點(diǎn)，該頻段的最大輸出功率為12dBm。而且，為了提高測(cè)量系統(tǒng)的可靠性并減少與多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嚓P(guān)的功耗，本系統(tǒng)決定采用魯棒性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的星型拓?fù)鋪?lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。星型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包含傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor Node)和匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink Node)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架

匯聚節(jié)點(diǎn)收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，測(cè)量每個(gè)包的RSS值，并把數(shù)據(jù)包發(fā)給網(wǎng)關(guān)(Gateway)，網(wǎng)關(guān)為每個(gè)數(shù)據(jù)包分配日期和時(shí)間，并把原始數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)，以便實(shí)時(shí)管理。最后，采用特定的公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化，并顯示在網(wǎng)站上。

3 系統(tǒng)部署

傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在塑料封箱內(nèi)，以保護(hù)設(shè)備不受惡劣天氣的影響。太陽(yáng)電池板安裝在塑料封箱上面。為了最大化充電效率，采用傾斜度為45°的特定支架對(duì)塑料封箱進(jìn)行固定。

傳感器節(jié)點(diǎn)部署在5000m2的大果園內(nèi)，果園分成三塊不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的灌溉方式是不一樣的。在每個(gè)區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)是按網(wǎng)格方式進(jìn)行等間距部署，網(wǎng)格大小為30m×40m。土壤濕度傳感器位于地下的不同深度(－0.1m，－0.2m，－0.3m，－0.5m，以及－0.8m)。溫度計(jì)被置于地下－0.2m的位置。植物直徑生長(zhǎng)測(cè)量?jī)x放置在7棵蘋(píng)果樹(shù)上。

傳感器節(jié)點(diǎn)連續(xù)地采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離果園300m農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。接著，組織傳感器采集的數(shù)據(jù)以及氣象站采集的數(shù)據(jù)，并存入公共網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)中的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。用戶可以從該站點(diǎn)內(nèi)下載原始格式的數(shù)據(jù)，參數(shù)可以像GIS系統(tǒng)一樣與位置信息一起顯示出來(lái)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)為一套用于實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多個(gè)完全自治的節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備了多個(gè)傳感器以采集與環(huán)境參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)以及蘋(píng)果樹(shù)的生長(zhǎng)狀態(tài)。該系統(tǒng)采用星型拓?fù)錁?gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗和簡(jiǎn)單易用的特性，并采用塑料封箱對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，可延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。在后續(xù)的工作中，我們將對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，使系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)灌溉，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

［1］ 孫利民，李建中，陳渝，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［2］ 任豐原，黃海寧，林闖.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.軟件學(xué)報(bào)，2003，14(7):1282-1291.

［3］ 楊瑋，李民贊，王秀.農(nóng)田信息傳輸方式現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(5):297-302.

［4］ 鄧小蕾，鄭立華，車(chē)艷雙，等.基于ZigBee和PDA的農(nóng)田信息無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(2):103-108.

［5］ 郵志剛，盧勝利，劉景泰.面向精準(zhǔn)灌溉的傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(6):294-296.