張永棠++周富肯++吳圣才

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到精確農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。介紹了在贛南地區(qū)的生態(tài)園藝企業(yè)里引進(jìn)和部署的1個實(shí)驗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并給出了使用4種類型節(jié)點(diǎn)（土壤節(jié)點(diǎn)、環(huán)境節(jié)點(diǎn)、水節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）來部署網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中一些節(jié)點(diǎn)連接分布于田地里的不同傳感器。這些傳感器可以測量各種土壤特性，例如溫度、體積含水量和含鹽量。對每個節(jié)點(diǎn)，從總體結(jié)構(gòu)、硬件和軟件組件方面進(jìn)行了描述。該系統(tǒng)還包括1個由放置在農(nóng)場中央室里的計算機(jī)所執(zhí)行的實(shí)時監(jiān)測應(yīng)用程序。系統(tǒng)的測試分2個階段完成：第一階段在實(shí)驗室，驗證開發(fā)設(shè)備的功能要求、網(wǎng)絡(luò)解決方案及節(jié)點(diǎn)電源管理；第二階段在農(nóng)場，評估設(shè)備的功能性能。該系統(tǒng)已成功實(shí)施到生態(tài)大白菜農(nóng)田里，實(shí)施結(jié)果表明其是一種通過在園藝環(huán)境下的分布式區(qū)域收集農(nóng)藝數(shù)據(jù)的低成本、高可靠性和簡單的基礎(chǔ)設(shè)施。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；精確農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；軟件架構(gòu)；生態(tài)園藝

中圖分類號： TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）03-0200-06

收稿日期：2015-12-22

基金項目：江西省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項目（編號：JXKJ201304216）；中國井岡山干部學(xué)院科技創(chuàng)新成果項目（編號：CX142119）。

通信作者簡介：張永棠（1981—），男，江西南昌人，碩士，副教授，研究方向為光通信與傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。E-mail：gov211@163.com。

精確農(nóng)業(yè)的概念已經(jīng)出現(xiàn)有一段時間了。Blackmore將它定義為“一個通過精確調(diào)整土壤和作物管理以符合每個農(nóng)田的特定條件同時保持環(huán)境質(zhì)量，來達(dá)到優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面系統(tǒng)設(shè)計”[1]。如今，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以說是一種估算、評估和理解發(fā)生在農(nóng)作物中的變化，以便能夠確定灌溉和肥料的需求、農(nóng)作物的生長和成熟階段、播種和收獲的最佳時間等的盡可能準(zhǔn)確的方法，換句話說，充分預(yù)測各個階段中的作物產(chǎn)量。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，重要的是要收集盡可能多關(guān)于水、土壤、植物和環(huán)境的信息[2]。

本研究介紹了在園藝農(nóng)場里引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的試驗。其他工作最近已證明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功地應(yīng)用到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。該農(nóng)場位于江西省贛南地區(qū)，是我國南方重要的園藝區(qū)之一。該農(nóng)場已實(shí)行生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗，該試驗也被稱為生物或有機(jī)耕作。

該農(nóng)場是中型（8 000 hm2）的，由250個農(nóng)田一個接一個地遍布在離贛州市區(qū)幾公里之外。作為一個規(guī)范的研究項目，考慮使用10個節(jié)點(diǎn)監(jiān)測作物，成星型拓?fù)溥B接，使用一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。此外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用一個堆棧來存儲接收消息，并稍后分配一個任務(wù)來處理；支持超過10個以星型拓?fù)浞绞竭B接的節(jié)點(diǎn)。然后，這方面工作的最終目的是為農(nóng)場提供它所必需的基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)時地確定作物的缺水狀況，并做出適當(dāng)?shù)臎Q策。

研究實(shí)例被設(shè)計成2個傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測不同的參數(shù)。第一個網(wǎng)絡(luò)收集土壤的溫度、濕度和鹽度，而第二個網(wǎng)絡(luò)記錄環(huán)境的溫度和濕度。此外，1個獨(dú)立的無線傳感器被安放在1個池塘里測量作物供給水的鹽度。這些子網(wǎng)和獨(dú)立的無線傳感器通過適當(dāng)?shù)木W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送所有數(shù)據(jù)到設(shè)在中央農(nóng)場辦公室的基站節(jié)點(diǎn)，在那里制作關(guān)于作物的決策。設(shè)計和開發(fā)了不同的網(wǎng)絡(luò)，低成本的特定節(jié)點(diǎn)（不帶傳感器約150美元），以及連接網(wǎng)絡(luò)和中央辦公室的網(wǎng)關(guān)。1個后臺監(jiān)控應(yīng)用程序被開發(fā)出來控制所有的設(shè)備和記錄所收到的信息到1個關(guān)系數(shù)據(jù)庫，以用來制作灌溉策略。

1試驗情況

提出農(nóng)藝問題的解決安排如圖1所示。這包括2個傳感器網(wǎng)絡(luò)和1個獨(dú)立的無線傳感器。第一個傳感器網(wǎng)絡(luò)由10個土壤節(jié)點(diǎn)組成，每個節(jié)點(diǎn)連接2個埋在20 cm或40 cm深的土壤里的Stevens Hydra Probe Ⅱ傳感器[3]。這些傳感器可以測量各種土壤特性，如溫度、體積含水率、鹽度等。第二個網(wǎng)絡(luò)由10個環(huán)境節(jié)點(diǎn)組成，使用Sensirion SHT71傳感器[3]測量環(huán)境溫度和濕度。

除了這些傳感器網(wǎng)絡(luò)，1個無線傳感器，稱為水節(jié)點(diǎn)，被安放在1個用于灌溉農(nóng)場的池塘里。無線傳感器的目的是來測量基于水電導(dǎo)率的鹽度和溫度，以便確定用來灌溉作物的水質(zhì)。該傳感器是Stevens EC 250，適用于傳感器的遠(yuǎn)程無線模塊，允許與5.5 km以外的基站直接通信[4]。這些節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)將在下面詳細(xì)說明。表1總結(jié)了傳感器的主要特點(diǎn)。

這2個傳感器網(wǎng)絡(luò)分別遠(yuǎn)離中心電腦5.2、8.7 km。為了保證系統(tǒng)的無線覆蓋，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用和在水節(jié)點(diǎn)里同樣的技術(shù)，使用遠(yuǎn)距離無線模塊。每個傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通過IEEE 802.15.4互連[5]。當(dāng)消息通過網(wǎng)關(guān)到達(dá)中心計算機(jī)，中心計算機(jī)監(jiān)控應(yīng)用程序處理和檢查其來源及其所包含的信息。消息存儲在1個關(guān)系數(shù)據(jù)庫，其中保存了傳感器收集到的數(shù)據(jù)和各時期的歷史記錄。以下各節(jié)將詳細(xì)說明每一個已開發(fā)的節(jié)點(diǎn)、需求和監(jiān)測應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)。

2設(shè)備開發(fā)

選擇用來處理所提出問題的解決方案是使用節(jié)點(diǎn)（土壤節(jié)點(diǎn)、環(huán)境節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）布置2個傳感器網(wǎng)絡(luò)，1個測量水質(zhì)的無線傳感器和在中央辦公室的2個節(jié)點(diǎn)（在屋頂上的中繼節(jié)點(diǎn)和連接到監(jiān)測電腦的基站節(jié)點(diǎn)）。

本研究所描述的設(shè)備是在SNA（sensor network architecture，傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)）[5]背景和RIMSI項目下開發(fā)的，是為了滿足各種網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的需求（長至10 km），以及因為沒有節(jié)點(diǎn)適合農(nóng)業(yè)工具市場上提供的SDI-12標(biāo)準(zhǔn)（SDI，2012）。在設(shè)計這些設(shè)備時考慮到的主要需求有：（1）魯棒的無線技術(shù)；（2）低成本、低功耗的電子設(shè)備；（3）長期能源的使用和減少大小（約2 700 mA·h）；（4）連接不同類型的外置傳感器的輸入/輸出接口的使用（SDI-12，I2C，4～20 mA）。下面詳細(xì)列出每個節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)、使用的傳感器、節(jié)點(diǎn)功能和軟件組件的開發(fā)。

2.1土壤節(jié)點(diǎn)

土壤節(jié)點(diǎn)由1個微控制器、1個短程無線電收發(fā)器、1個SDI-12接口、2個DC/DC轉(zhuǎn)換器和1套電池組成（見圖2-a、圖2-b）。所有元件放入IP67保護(hù)等級的水密箱里。圖2顯示了土壤節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)及其在田地的放置。

微控制器選擇德州儀器的Msp430F1611，使用TinyOS version 2編程（Tiny，2008）（Hill et al.，2000）。所有其他節(jié)點(diǎn)都使用相同的微控制器[5-6]。短程無線模塊使用CC2420（Chipcon），也來自德州儀器。該模塊與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、帶寬為250 kbp、2.4 GHz的無線通信來交換數(shù)據(jù)[5]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和辦公室之間的網(wǎng)關(guān)。能量由連接到第二個DC/DC轉(zhuǎn)換器的3個AA NiMH 2 700 mA·h 可充電電池供應(yīng)[7]。這個轉(zhuǎn)換器提供2.5 V直流電給節(jié)點(diǎn)的所有組件。這些電池持續(xù)了7個月左右，對于一個正常的農(nóng)事季節(jié)來說這能保證足夠多的時間。

每一個節(jié)點(diǎn)通過SDI-12接口連接2個Stevens Hydra Probe Ⅱ（HP2）傳感器[3]（圖2-c）。SDI-12是1 200 Bd波特率的串行數(shù)據(jù)接口。這是一個連接電池供電的數(shù)據(jù)記錄器與基于微處理器的用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集的傳感器的接口標(biāo)準(zhǔn)。HP2是一個原位土壤傳感系統(tǒng)，能測量22種不同的土壤參數(shù)，同時以數(shù)字形式輸出。它即刻計算出土壤水分、電導(dǎo)率/鹽度和溫度。

土壤節(jié)點(diǎn)從HP2傳感器監(jiān)測4種參數(shù)[土壤溫度（℃）、土壤氯化鈉濃度（g/L）、土壤水分的體積百分比和隨溫度校正的土壤電導(dǎo)率（S/m）]；用戶可在接收端PC機(jī)配置采樣周期， 范圍在30 min到48 h之內(nèi)。因為采樣通常是按小時的，決定于每個讀周期發(fā)送讀取的數(shù)據(jù)，因而結(jié)合實(shí)時數(shù)據(jù)的可用性，以及合理的能量消耗。該器件還監(jiān)測電池電壓，當(dāng)達(dá)到臨界水平時發(fā)出1個信號。

該節(jié)點(diǎn)使用TinyOS 2.0操作系統(tǒng)編程[8]，相關(guān)的編程語言為nesC，這是專用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的。nesC被創(chuàng)建為C編程語言的延伸，使用“wired”組件來運(yùn)行TinyOS上的應(yīng)用。組件使用接口相互連接。TinyOS為通用抽象提供接口和組件，如數(shù)據(jù)包通信、路由、傳感、驅(qū)動和存儲。TinyOS是一個眾所周知的新無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)的可選替代，并提供可重復(fù)使用的組件，以確保遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的可靠通信，并支持許多硬件（微控制器、收發(fā)器、傳感器）。此外，還有1個用nesC撰寫的ZigBee（Open-ZB）實(shí)現(xiàn)。

TinyOS是一個開放的源代碼；（2）當(dāng)需要的時候允許應(yīng)用軟件直接訪問硬件；（3）支持多種硬件平臺。因此，TinyOS被選擇用來作為開發(fā)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用軟件。

2.2環(huán)境節(jié)點(diǎn)

為了便于閱讀，以下不討論其他節(jié)點(diǎn)與土壤節(jié)點(diǎn)的共同點(diǎn)，只討論新的元件和功能的細(xì)節(jié)。

環(huán)境節(jié)點(diǎn)（圖3）記錄作物的環(huán)境溫度和濕度參數(shù)。正如在圖3-a中顯示的，節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)類似于土壤節(jié)點(diǎn)，除了與外部傳感器的接口。

每個節(jié)點(diǎn)通過I2C接口連接Sensirion SHT71傳感器（圖3-b），放置在1個離地面1.5 m高的日光保護(hù)罩里。這些類型的節(jié)點(diǎn)采取引用參數(shù)讀數(shù)的最高頻率為2個讀數(shù)/h。環(huán)境節(jié)點(diǎn)放置在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)周圍半徑約100 m之內(nèi)的地方。最初安排這個網(wǎng)絡(luò)包括10個節(jié)點(diǎn)。同樣，該節(jié)點(diǎn)也使用TinyOS編程。SensirionSht11C組件用來滿足上面所述的功能。此外，Msp430ADC0C用于采樣微處理器的ADC0模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以確定當(dāng)電池電壓低于某一閾值時，發(fā)出低能量警報。

2.3水節(jié)點(diǎn)

水節(jié)點(diǎn)（圖4）測量用于灌溉作物的池塘水的溫度和鹽度。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)通過使用適合戶外8dBi全向性天線的遠(yuǎn)程無線模塊（XStream X24-019PKI-RA radio modem）直接與辦公室連接通信。其余結(jié)構(gòu)和前述節(jié)點(diǎn)非常相似（圖4-a和圖4-c）。Stevens EC 250傳感器淹沒在池塘里。這2個傳感器輸出（溫度和鹽度）4～20 mA的信號；當(dāng)電流回路穿過1個電阻器后，微控制器的ADC0和ADC1轉(zhuǎn)換器讀取這2個傳感器。讀取這些參數(shù)的最高參數(shù)頻率是2讀數(shù)/h。節(jié)點(diǎn)由太陽能電池板供電，并封裝在放置池塘邊的水密箱里。[FL）]

[TPZYT4.tif][FK）]

其天線安裝在約4 m高的桅桿上。EC250C組件再次使用 TinyOS 來開發(fā)，以滿足上文所述的功能。

2.4網(wǎng)關(guān)、基站和中繼節(jié)點(diǎn)

正如我們在圖1中看到的，設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施需要2個傳感器網(wǎng)絡(luò)及無線傳感器與辦公室互連：（1）每個傳感器網(wǎng)絡(luò)1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其中一個網(wǎng)絡(luò)基于環(huán)境節(jié)點(diǎn)，另外一個基于土壤節(jié)點(diǎn)；（2）中繼節(jié)點(diǎn)位于辦公樓屋頂；（3）基站節(jié)點(diǎn)放置在辦公室內(nèi)，物理連接到監(jiān)測電腦。

圖5-a和圖5-b詳細(xì)顯示了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)圖像及其硬件架構(gòu)框圖。微控制器與作物節(jié)點(diǎn)通過短距離無線模塊進(jìn)行通信，而與在辦公室處的中繼節(jié)點(diǎn)通過遠(yuǎn)程無線模塊通信。由于采用可充電太陽能電池，能量供應(yīng)壽命已經(jīng)足夠。太陽能電池板是Zodiac Solar的TPS 102/5（12 V，5 W）面板[3，9]，成30°角安裝。在最壞的情況下，在卡塔赫納區(qū)的平均太陽輻射在這個角度測試時為4 600 W·h/m2。網(wǎng)關(guān)能耗為 7.8 W·h。因此，面板能給節(jié)點(diǎn)能耗提供更多的能量。

為了確?；竟?jié)點(diǎn)有足夠的覆蓋面，主天線架設(shè)在高約9 m的辦公室屋頂。主天線和基站節(jié)點(diǎn)之間的無線連接也通過中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)?；竟?jié)點(diǎn)收集傳感器網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的所有信息（在中繼節(jié)點(diǎn)的幫助下），并傳輸?shù)介_發(fā)用來處理網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測應(yīng)用程序。同樣，軟件應(yīng)用程序可廣播任何命令給傳感器網(wǎng)絡(luò)。該節(jié)點(diǎn)由連接3dBi全向天線的遠(yuǎn)程無線模塊（2.4 GHz）和1個用于連接中心計算機(jī)的RS-232接口組成。中繼節(jié)點(diǎn)是1個配置為轉(zhuǎn)發(fā)器模式的商業(yè)無線電調(diào)制解調(diào)器，連接到1個8dBi的全向性天線。在戶外可提供16公里的視距覆蓋范圍。

3監(jiān)控應(yīng)用程序

監(jiān)控應(yīng)用程序由以下集成：（1）圖形用戶界面（GUI）顯示從傳感器讀取到的數(shù)據(jù)；（2）接收和存儲節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的程序。這2個程序使用Java編程語言、Eclipse環(huán)境和MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)。這些應(yīng)用程序的基本特點(diǎn)可歸納如下：

圖形用戶界面（圖6），能確定每個節(jié)點(diǎn)和作物的確切地理位置；傳感器讀取的數(shù)據(jù)定期發(fā)送到基站并存儲在數(shù)據(jù)庫里（程序等待一個事件觸發(fā)，表明串口有數(shù)據(jù)）。GUI將讀取這些數(shù)據(jù)并實(shí)時圖形可視化它們。此外，用戶應(yīng)用程序可修改采樣周期；數(shù)據(jù)庫詳細(xì)存儲部署的節(jié)點(diǎn)、其匯聚區(qū)域、集成在每一個節(jié)點(diǎn)的傳感器、讀取歷史記錄、傳感器類型、傳感器和地區(qū)發(fā)出警報的歷史記錄（例如電池失效、低于某一閾值等）；顯示從傳感器讀取的最新數(shù)據(jù)，而3個網(wǎng)絡(luò)顯示在右側(cè)。表格之下的圖形按用戶選擇的時間間隔顯示數(shù)據(jù)，或者提供收集到的最新數(shù)據(jù)。

土壤和環(huán)境節(jié)點(diǎn)都提供以下服務(wù)：改變傳感器的采樣周期和配置設(shè)備按每小時電池供電發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)電池充電嚴(yán)重不足時，它們觸發(fā)警報信號。此外，土壤節(jié)點(diǎn)還提供其他服務(wù)，如：設(shè)定土壤類型、配置測量數(shù)據(jù)集、設(shè)定灌溉水量和建立預(yù)熱時間。請注意，所有服務(wù)都提供了發(fā)送一個特殊的數(shù)據(jù)組合來設(shè)置采樣周期。

4結(jié)果

[JP2]實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法包括2個階段：第一個階段在實(shí)驗室，第二個階段在田地里。在第一階段部署所有的子網(wǎng)（只用4個節(jié)點(diǎn)作為土壤節(jié)點(diǎn)和環(huán)境節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)的例子）、2個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、基站和中繼節(jié)點(diǎn)。這一階段的主要作用是驗證所提出的硬件和軟件解決方案。驗證沒有使用低能耗技術(shù)的硬件與軟件版本。一旦保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，下一步是審查軟件，以便合并低能耗模式到所有節(jié)點(diǎn)，除了主要部分的供電（基站和中繼節(jié)點(diǎn)）。這樣，可以達(dá)到系統(tǒng)的充分自治，以確保節(jié)點(diǎn)可以運(yùn)作整個園藝周期（10周）。第二階段的目標(biāo)是，在實(shí)際農(nóng)場條件下進(jìn)行驗證，評估所開發(fā)裝置的功能性能，如范圍、魯棒性和靈活性。[JP]

為了達(dá)到所開發(fā)系統(tǒng)結(jié)果實(shí)現(xiàn)的充分評估，從以下觀點(diǎn)進(jìn)行了分析：（1）從設(shè)備開發(fā)和技術(shù)使用的角度來看；（2）從農(nóng)業(yè)的角度來看。

4.1設(shè)備的結(jié)果

在實(shí)驗室的功能驗證后，所開發(fā)的裝置重編程為低能耗模式，因該模式最適合運(yùn)行在田地里。這一運(yùn)作模式的詳細(xì)研究表明有必要確保整個農(nóng)業(yè)周期的自治。以下介紹針對土壤節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的研究，這項研究與所有其他節(jié)點(diǎn)相同。

[JP2]土壤節(jié)點(diǎn)有4個功能狀態(tài)：休眠、無線電待機(jī)接收消息、傳感器數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)傳輸。表3列出了節(jié)點(diǎn)在每一個狀態(tài)的能耗和時間。最壞的情況是采用平均能耗，從2個傳感器每 30 min 采集和傳輸數(shù)據(jù)。本研究的最終目的是，確定節(jié)點(diǎn)的平均能耗是多少，將由此得出的數(shù)字直接關(guān)聯(lián)電池的電能，從而確定該設(shè)備的自治時間。節(jié)點(diǎn)的平均能耗可以如下確定：[JP]

[JZ（]Isoil-mote=Istandby+Ireceiv+Iacq+Itrans。[JZ）][JY]（1）

其中，

[JZ（]Istandby=0.25 mA；[JZ）][JY]（2）

[JZ（]Ireceiv≈[SX（]20 mA×15×10-310[SX）]=0.03 mA；[JZ）][JY]（3）

[JZ（]Iacq≈2×[JB（（][SX（]110 mA×1 800×10-31 800[SX）][JB））]；[JZ）][JY]（4）

[JZ（]Itrans≈2×[JB（（][SX（]25 mA×125×10-31 800[SX）][JB））]=0.003 5 mA。[JZ）][JY]（5）

表達(dá)式（2）表明待機(jī)能耗。表達(dá)式（3）表示節(jié)點(diǎn)在接收模式為每10 s 15 ms脈沖時的平均能耗。表達(dá)式（4）和（5）反映類似的計算，僅乘以2，這是許多連接到每個節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)目。表達(dá)式（1）給出了土壤節(jié)點(diǎn)的平均電流消耗，大約0503 5 mA。由于土壤節(jié)點(diǎn)的電池是2 700 mA·h，其估計自治時間為223 d，足以保證正常運(yùn)作整個農(nóng)業(yè)或園藝季節(jié)。其他設(shè)備的能耗研究與土壤節(jié)點(diǎn)一樣遵循同樣的過程。結(jié)果總結(jié)見表2。節(jié)點(diǎn)安置在田地如此消耗后，驗證測試持續(xù)了9周以上，沒有收到任何設(shè)備的低電量警報，這表明太陽能電池板工作正常以及驗證能耗評估。

為了覆蓋設(shè)備，放在辦公室內(nèi)的基站節(jié)點(diǎn)，使用3dBi全向天線。由于建筑的覆蓋狀況，中繼節(jié)點(diǎn)不得不從一開始就放[CM（25]在屋頂上。這提供了中繼節(jié)點(diǎn)和配備XStream的節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)和水節(jié)點(diǎn)）之間達(dá)10 km的覆蓋面。所有裝在戶外的8dBi全向性天線，安裝在4 m高的桅桿上，以避免任何障礙。

一旦傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)定位好，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與土壤節(jié)點(diǎn)之間的最大覆蓋范圍是50 m，環(huán)境節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍是 100 m。土壤節(jié)點(diǎn)放置在園藝作物里。因為作物豐富的根部，傳感器需埋入20 cm或40 cm深的土壤里。和環(huán)境節(jié)點(diǎn)不同，土壤節(jié)點(diǎn)放在地面上，因而覆蓋較差。當(dāng)土壤節(jié)點(diǎn)第一次安裝時，作物的頂部略高于地面，所以節(jié)點(diǎn)工作完美。然而，幾個月后當(dāng)作物開始向上長時它們停止了工作。這個問題已經(jīng)解決，將原來天線替換為3dBi全方位版本。

4.2農(nóng)業(yè)成果

驗證測試在位于江西省南部的贛州市某園藝場占地 4 hm2 的生態(tài)草莓園里進(jìn)行。在40 cm深的作物土壤特性是：黏壤土質(zhì)地，總碳酸鹽35.4 mg/L，速效磷（Olsen法測定）78.6 mg/kg，速效鉀（乙酸銨法測定）487.0 mg/kg。滴灌系統(tǒng)埋在2行作物之間和每0.20 m安裝1 L/h的發(fā)射嘴。使用噴灑化肥方法給作物施肥。在3月的第1周部署節(jié)點(diǎn)，這時農(nóng)場主開始收集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。土壤節(jié)點(diǎn)的傳感器置于20 cm和40 cm深的作物底下。在此期間，有80 mm累積雨量，達(dá)65 km/h的中等強(qiáng)風(fēng)和溫和的溫度（平均 15.2 ℃）。圖7顯示了生長周期內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)（土壤濕度、空氣溫度、光照、二氧化碳濃度等）。Hydra Probe傳感器提供準(zhǔn)確的土壤濕度測量，水容積的單位為體積（wfv或m3/m3）。也就是說，土壤里的水的比例以十進(jìn)制形式顯示。例如，0.20 wfv 水含量意味著1 L的土壤樣品含有200 mL的水。充分飽和度（所有土壤孔隙空間裝滿了水）通常發(fā)生0.5～06 wfv，并且相當(dāng)依賴土壤。節(jié)點(diǎn)被驗證能正常運(yùn)行。這為類似的氣候條件提供了一些魯棒性保證。

'在介紹此技術(shù)之前，園藝場用傳統(tǒng)方式監(jiān)測其作物，即派人用適當(dāng)?shù)谋銛y設(shè)備觀察作物和池塘來衡量相關(guān)的農(nóng)藝參數(shù)。現(xiàn)在，使用所開發(fā)的技術(shù)，作物變量可以實(shí)時確定，作物的水需求不用派人去觀察它們就可以估算。農(nóng)場團(tuán)隊可以實(shí)時監(jiān)測保持白菜生長的最佳條件（EC值范圍為2～4 mS/cm，溫度在10～24 ℃，相對濕度在60%～90%的范圍）。

5結(jié)束語

本研究描述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一個真正監(jiān)測作物土壤和環(huán)境狀況的機(jī)會。該系統(tǒng)成功地在所需精度下監(jiān)測了生態(tài)白菜作物的整個生長期。農(nóng)場團(tuán)隊現(xiàn)在能夠收集更全面和更準(zhǔn)確的空間和時間數(shù)據(jù)。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)受益于把高技術(shù)融合到通信和信息技術(shù)領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收集廣泛范圍內(nèi)的土壤和環(huán)境條件測量值的能力是該系統(tǒng)設(shè)計的根本要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的明顯優(yōu)勢是能顯著減少和簡化布線、更快地部署、無限制安裝傳感器的靈活性和更好的移動性。盡管這項技術(shù)潛力很大，但是還存在一些困難，例如缺乏有經(jīng)驗的工作人員解決問題、傳感器成本高、電源供應(yīng)問題等等。

下一步研究的目的是建立一個專家系統(tǒng)，以協(xié)助灌溉管理，結(jié)合氣候（ET）和土壤水分平衡模型來估算作物需水量，優(yōu)化灌溉編程和遠(yuǎn)程操縱灌溉設(shè)備的能力。

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