鮑 娟，柯尊平，劉向陽

(湖北醫(yī)藥學院，十堰442000)

1 引言

目前，世界設施農業(yè)己經發(fā)展到較高水平，形成了成套的技術、完整的設施設備和生產規(guī)范，并在向自動化、智能化、網絡化和無線化方向發(fā)展［1－2］。中國設施農業(yè)研究始于20世紀80年代后期，經過幾十年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成就。以蔬菜、瓜果、花卉為主的設施栽培面積發(fā)展速度異常迅猛，我國設施栽培面積目前已經突破1500萬畝，成為世界設施栽培面積最大的國家［3－4］。

在設施農業(yè)領域，無線傳感器網絡也有著得天獨厚的優(yōu)勢:一方面，低功耗、微型化、高度集成、低價格的傳感器節(jié)點，可以密集部署在農業(yè)設施內部，實時監(jiān)測生物的各種生長環(huán)境因素，包括溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤含水量、土壤電導率以及土壤養(yǎng)分等;另一方面，與傳統(tǒng)的傳感器手段(如單一大型傳感器、有線傳感器網等)相比，WSN具有無基礎設施(自組織)、精度高、靈活性強、可靠性好等優(yōu)點，可以有效解決設施農業(yè)環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、自組多跳的無線發(fā)送等問題，因而成為目前研究的熱點［5－7］。

2 目前農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題

(1)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性低。

現(xiàn)有的設施農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通信技術主要采用串行總線技術和現(xiàn)場總線技術等有線通信技術。雖然具有設備互操作性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，但是實際應用時，由于設施內環(huán)境長期高溫、潮濕且土壤及空氣具有較高的酸堿性，極容易導致通信電纜的老化，從而降低系統(tǒng)的可靠性。

(2)監(jiān)測系統(tǒng)部署困難，安裝及維護成本高。

現(xiàn)有的設施農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，大多使用傳統(tǒng)的傳感器技術，工作在有線或無線方式，為提高監(jiān)控精度，使用多傳感器技術。其缺點是明顯的:①如果采用導線連接傳感器，在實際的農業(yè)生產應用中，由于需要密布傳感器節(jié)點，才能實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的有效覆蓋，這將導致在農業(yè)設施內部線纜縱橫交錯，監(jiān)測系統(tǒng)施工難度大，安裝及維護成本急劇增加。②如果采用傳統(tǒng)無線方式連接傳感器，由于網絡拓撲、通信基礎設施、信道質量和成本等方面制約，使用范圍受到很大限制。由此導致的問題是:①傳感器節(jié)點無法密集部署在監(jiān)測區(qū)域并覆蓋該監(jiān)測區(qū)域，實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域任何時空尺度的探測;②各傳感器節(jié)點難以協(xié)同工作并形成閉環(huán)響應系統(tǒng)，實現(xiàn)所采集的大量數(shù)據(jù)實時融合和數(shù)據(jù)相關性實時分析。恰恰這是實現(xiàn)工廠化設施農業(yè)環(huán)境精準控制的兩個前提條件。所以，傳統(tǒng)的檢測技術直接制約著設施農業(yè)的現(xiàn)代化進程。

3 無線傳感器網絡在精細農業(yè)中的應用

無線傳感器網絡(Wireless sensor Networks，WSN)是一種無中心節(jié)點的全分布式系統(tǒng)。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節(jié)點被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。各傳感器節(jié)點集成有傳感器模塊、控制器模塊、通信模塊和電源模塊等，它們以無線通信方式，通過分層的網絡通信協(xié)議和分布式算法，可自組織地快速構建網絡系統(tǒng)。傳感器節(jié)點間具有良好的協(xié)作能力，借助于其集成的形式多樣的傳感器，傳感器節(jié)點可探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、水質狀況、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等諸多人們感興趣的物理現(xiàn)象數(shù)據(jù)信息，通過網關，WSN可以接入Internet，從而將采集到的信息回傳給遠程終端用戶。

首先，建立基于無線傳感器網絡的設施農業(yè)精準控制系統(tǒng)的整體結構和協(xié)議棧。系統(tǒng)主要由四個部分組成:無線傳感器網絡、無線傳輸網關、網絡基礎設施(主干網)和任務管理網絡(用戶網絡)。根據(jù)系統(tǒng)的應用背景和應用特點，設計專門的VIP橋，設計適合的無線傳輸網關，并對協(xié)議棧進行跨層優(yōu)化設計，使得基于無線傳感器網絡的設施農業(yè)精準控制系統(tǒng)具有更加優(yōu)越的能量有效性。

其次，部署基于無線傳感器網絡的設施農業(yè)精準控制系統(tǒng)所需的傳感器節(jié)點和執(zhí)行機構。在系統(tǒng)應用中，需要在監(jiān)測區(qū)域隨機部署若干傳感器節(jié)點和執(zhí)行機構。傳感器節(jié)點的主要任務是感知、采集和傳輸各種環(huán)境信息。執(zhí)行機構的主要任務是通過控制各種直流電磁閥來控制設施內部對應的物理裝置，達到調節(jié)設施內部環(huán)境條件的目的。研制的節(jié)點與執(zhí)行機構具有節(jié)能、數(shù)據(jù)傳輸準確、傳輸速率快等優(yōu)點。

再次，設計基于無線傳感器網絡的設施農業(yè)精準控制系統(tǒng)管理軟件。管理軟件運行在微型計算機上，管理軟件包括后臺管理軟件和數(shù)據(jù)管理軟件。后臺管理軟件主要包括:數(shù)據(jù)庫子模塊、數(shù)據(jù)處理引擎子模塊、后臺組件子模塊和用戶圖形界面子模塊。數(shù)據(jù)管理軟件主要包括5個子模塊:參數(shù)設置子模塊、數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)據(jù)處理子模塊、控制輸出子模塊和數(shù)據(jù)管理子模塊。通過控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)顯示、打印等功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于無線傳感器網絡的設施農業(yè)精準控制

4 關鍵科學技術

(1)無線傳感器網絡節(jié)點技術

設施農業(yè)監(jiān)測網絡中，傳感器節(jié)點均被部署在復雜的環(huán)境中，這樣傳感器網絡必須能夠在無任何網絡基礎設施的環(huán)境中進行長期的自主工作，傳感器節(jié)點的能量主要由電池提供。由于節(jié)點受自身特點的限制，節(jié)點能量壽命是有限的，而采用太陽能電池或有源電源，又因環(huán)境復雜，目前實際應用較少。重點主要研究節(jié)點通信，采取優(yōu)化網絡層和MAC層協(xié)議的方式，使節(jié)點通過協(xié)作方式完成通信監(jiān)測任務，達到節(jié)能控制的目的。

(2)無線傳感器通信協(xié)議

無線傳感器網絡是自組織網絡，建立較為完善的網絡拓撲控制管理機制，對于提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議效率是很有幫助的，還有利于延長網絡壽命。重點主要研究在滿足網絡覆蓋度和連通度的情況下，通過選擇路由路徑，生成一個能高效轉發(fā)數(shù)據(jù)的網絡拓撲結構。拓撲控制方面主要研究節(jié)點功率控制?？刂泼總€節(jié)點的發(fā)射功率，均衡節(jié)點單跳可達的鄰居數(shù)目，提高無線傳感器網絡的效率。

(3)無線傳感器網絡數(shù)據(jù)管理技術

無線傳感器網絡是以數(shù)據(jù)為中心的網絡，其目的是感知、獲取、傳輸、處理傳感數(shù)據(jù)，并將信息傳送給用戶。傳感器網絡為了有效節(jié)省能量，在傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，利用本地計算和存儲能力將數(shù)據(jù)進行融合，取出冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。無線傳感器網絡的設計以傳感數(shù)據(jù)管理為中心，密切結合數(shù)據(jù)庫技術和計算機網絡技術，從邏輯概念和軟硬件技術兩個方面實現(xiàn)一個高性能的以數(shù)據(jù)為中心的網絡系統(tǒng)，為用戶提供一個有效的傳感數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，使用戶如同使用普通的數(shù)據(jù)庫一樣自如地在無線傳感器網絡上進行各種應用系統(tǒng)的開發(fā)。

5 結束語

在設施農業(yè)的真實環(huán)境中，采用傳感器、單片機、控制芯片等硬件設施結合數(shù)字信號處理器、頻譜分析儀、示波器等儀器設備，根據(jù)設施農業(yè)具體環(huán)境，建立無線傳感器網絡。利用計算機編程語言設計設施農業(yè)精準控制系統(tǒng)控制軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)融合，為用戶提供優(yōu)良的操控。

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