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        無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)田溫濕度信息采集中的應用

        2016-04-26 09:33:08孫艷紅麻曉夢
        科技視界 2016年9期
        關(guān)鍵詞:信息采集無線傳感器網(wǎng)絡

        孫艷紅 麻曉夢

        【摘 要】隨著世界農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展,精準農(nóng)業(yè)已成為必然的發(fā)展趨勢,這在我國未來的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路上的重要歷程。精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開農(nóng)田環(huán)境信息及作物生長發(fā)育信息,而這些信息的量很大并且要有效、及時、準確才可以。本文結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗將農(nóng)作物長期的生長周期內(nèi)的濕度、溫度等生長信息通過無線傳感器網(wǎng)絡方式進行采集,使農(nóng)業(yè)管理人員及時了解農(nóng)作物的生長環(huán)境,對生長環(huán)境及時做出調(diào)整,提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

        【關(guān)鍵詞】農(nóng)田溫濕度;信息采集;無線傳感器網(wǎng)絡

        無線傳感器網(wǎng)絡(第四代傳感器網(wǎng)絡),主要由微型傳感器節(jié)點組成(這些傳感器位于監(jiān)測區(qū)域,價格低廉),通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng),用于協(xié)作地感知、采集及處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的感知對象的信息,最后發(fā)送給觀察者。在確定目標監(jiān)測區(qū)域中部署數(shù)量足夠多的具備計算和無線通信能力的傳感器節(jié)點,根據(jù)實際需求制定任務,并燒寫在傳感器節(jié)點中。各節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與傳輸是通過某種無線通信協(xié)議組成網(wǎng)絡來完成。

        農(nóng)作物必須生長在適宜的環(huán)境下,才能使農(nóng)作物增產(chǎn)豐收。為了實現(xiàn)優(yōu)化生長環(huán)境的目的,需要隨時采集農(nóng)作物生長時期內(nèi)的環(huán)境信息,和所需的生長環(huán)境相對比。傳統(tǒng)上的信息采集還是有很多不足之處的,這在一些供電設施困難地區(qū)難以實施。并且在部署完成后無法根據(jù)實際情況做到靈活轉(zhuǎn)變。而這些問題利用無線傳感器網(wǎng)絡即可得到有效解決,不管是布線方面還是管理方面的實施都比傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)容易,且價格低廉。數(shù)據(jù)采集點可任意分布,獲取信息也不受時間、地點和環(huán)境要求,這是因為無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)易變化,具有自我組織能力,所以才能在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)靈活分布,從而實現(xiàn)實時獲取大量可靠信息的愿望。因此,無線傳感器網(wǎng)絡將在今后的農(nóng)業(yè)發(fā)展中成為重要的發(fā)展趨勢。

        1 農(nóng)田溫濕度信息采集系統(tǒng)的設計

        無線傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集處理決策部分及分散用戶接收裝置等組成了無線傳感器網(wǎng)絡。在監(jiān)測區(qū)域內(nèi),部署下各個無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點,使其數(shù)據(jù)的采集都能實現(xiàn),通過自組織、多跳路由和無線通信方式將所收集的數(shù)據(jù)匯集到匯聚節(jié)點(網(wǎng)關(guān)節(jié)點)進行數(shù)據(jù)的匯總、存儲和處理,最后由無線互聯(lián)網(wǎng)將信息傳送到終端用戶。

        本系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)在設計時是以無線傳感器網(wǎng)絡的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)并結(jié)合農(nóng)田及環(huán)境信息需求而來。主要有以下三方面組成:

        (1)傳感器節(jié)點:對溫濕度數(shù)據(jù)的采集,需要大量的部署傳感器節(jié)點在所監(jiān)測區(qū)域內(nèi)來完成,通過ZigBee協(xié)議進行互連形成無線傳感器網(wǎng)絡。

        (2)網(wǎng)絡節(jié)點(網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器):負責處理由每個傳感器節(jié)點收集上來的數(shù)據(jù)信息。

        (3)基站和終端用戶?;矩撠熃邮?、匯總、處理和分析網(wǎng)絡節(jié)點處理后的信息,最后將通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)給終端用戶,最終實現(xiàn)實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境溫濕度信息。

        1.1 ZigBee技術(shù)

        ZigBee技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù),其物理層和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議一樣,都為IEEE802.15.4。ZigBee聯(lián)盟決定了應用框架和網(wǎng)絡層協(xié)議。應用層開發(fā)空間較大,用戶可根據(jù)實際需求對其進行開發(fā)。

        ZigBee技術(shù)的自身特點決定它的較大優(yōu)勢在短距離無線通信領(lǐng)域。具有以下特點:

        1.功耗低;2.延時短;3.速率低;4.距離近;5.成本低;6.容量大;7.安全性高;8.免執(zhí)照頻段。除了以上特點,由于ZigBee技術(shù)是以IEEE 802.15.4為基礎(chǔ)的,加上其功耗低的特性,所以還具備高節(jié)能性的特點。

        協(xié)議,要根據(jù)應用環(huán)境的實際情況來選擇合適的,這是至關(guān)重要的。每種協(xié)議都可適用于不同的應用場合,其特性也各不相同,它們之間的關(guān)系是:通過不斷的互補、競爭,然后取長補短,共同發(fā)展。越來越快捷方便的通信方式大大滿足了人們對此的需求。而ZigBee協(xié)議是較適合農(nóng)田溫濕度信息采集系統(tǒng)中使用,這可根據(jù)農(nóng)作物生長環(huán)境的特點看出。

        1.2 開發(fā)平臺及網(wǎng)絡組建

        (1)無線傳感器網(wǎng)絡的硬件平臺

        英國Jennic公司的JN5139 EK 010開發(fā)套件作為ZigBee網(wǎng)絡組建的硬件平臺。其中主要使用JN5139芯片,它是一款具備ZigBee功能的無線SoC(System on Chip,片上系統(tǒng))。JN5139芯片具有高性能、低功耗、高靈敏度和ROM空間較大及通訊距離較遠等特點??捎糜诟鞣NZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點,包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備等。

        (2)無線傳感器網(wǎng)絡的軟件平臺

        本次所設計的軟件主要由MCU程序和ZigBee協(xié)議棧等組成,通過對軟件的設計,ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點之間所有的功能都得以實現(xiàn)。

        (3)無線傳感器網(wǎng)絡的組建

        ZigBee網(wǎng)絡中常見的拓撲結(jié)構(gòu)有星型結(jié)構(gòu)、樹狀(簇)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。每個ZigBee網(wǎng)絡至少需要一個FFD設備(全功能設備,可以支持任何一種拓撲結(jié)構(gòu),作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者工作,并且可以和任何一種設備進行通信)實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)調(diào)的功能。終端設備可以是RFD設備(精簡功能設備,只支持星型結(jié)構(gòu),不能成為任何協(xié)調(diào)者,可和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者進行通信,實現(xiàn)簡單)用來降低系統(tǒng)的成本。

        2 系統(tǒng)測試與分析

        2.1 正常環(huán)境條件下農(nóng)田的溫濕度采集

        地點:玉米農(nóng)田

        目的:在正常環(huán)境下采集玉米田中的溫濕度數(shù)據(jù)

        步驟:將Mesh網(wǎng)絡組建好布置在玉米田中,將四個傳感器中的ZR1、ZR2部署在田中,ZE1、ZE2部署在農(nóng)田附件道路上。通過這種部署方案來采集玉米田內(nèi)部以及附近地區(qū)環(huán)境的濕度和溫度。

        結(jié)論:日照充分時,農(nóng)作物降低其周邊環(huán)境溫度提高濕度,且減少溫濕度上的大幅波動和劇烈變化。通過以上得出,自然因素對農(nóng)田環(huán)境具有影響作用,同時,農(nóng)作物也在一定程度上影響著環(huán)境。

        2.2 河南小麥田環(huán)境的溫濕度采集

        地點:河南安陽躍進農(nóng)場;

        目的:采集小麥田環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù);

        時間:以2010年2月10日8:00—2010年2月10日20:00(12個小時)為例;

        步驟:將ZR1、ZR2、ZE1、ZE2四個傳感器節(jié)點分別布置在小麥田中四個位置采集數(shù)據(jù),因當天11點后出現(xiàn)降雪過程,具體測試出來的溫濕度結(jié)果如圖1:

        (a)溫度數(shù)據(jù) (b)濕度數(shù)據(jù)

        圖 1 小麥田的溫濕度采集

        結(jié)論:通過上圖我們可看出,以上每個傳感器節(jié)點所獲取的溫濕度的數(shù)據(jù)基本上變化一致。11點后,溫濕度隨著降雪過程的出現(xiàn)發(fā)生了明顯變化,證明了系統(tǒng)的靈敏度較高。

        3 結(jié)果與討論

        該系統(tǒng)實現(xiàn)了農(nóng)田溫濕度信息的收集,平原氣候條件下的小麥田溫濕度采集,測試結(jié)果符合預期。在農(nóng)田環(huán)境中使用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)了溫濕度信息的實時采集。平原氣候條件下玉米田和小麥田的溫濕度采集,并且采集到的信息測試中通過串口接收到每個數(shù)據(jù)報的詳細信息。系統(tǒng)測試期時一直處于連續(xù)工作狀態(tài),數(shù)據(jù)收發(fā)穩(wěn)定,傳感器節(jié)點未出現(xiàn)失效或數(shù)據(jù)丟失情況。另外,為了實現(xiàn)更多信息的測量,可增加相應的傳感器,但必須要在現(xiàn)有系統(tǒng)和設備基礎(chǔ)上。所以,對于環(huán)境監(jiān)測來說,無線傳感器網(wǎng)絡無疑是最好的監(jiān)測手段,不僅可以得到所監(jiān)測環(huán)境的實時、詳細的信息,還可人為設置測試頻率,不需值守。

        【參考文獻】

        [1]孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡[M].清華大學出版社,2005.

        [2]于海斌,曾鵬,梁瓣.智能無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)[M].北京:科學出版社,2006.

        [3]無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)講義[M].中國科學院計算機技術(shù)研究所,2007.

        [4]張瑞瑞,趙春江,陳立平,等.農(nóng)田信息采集無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(11):213-218.

        [責任編輯:湯靜]

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