劉寶，柴林杰，周杰

基于GA的農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡與水肥一體化技術＊

劉寶，柴林杰，周杰

（石河子大學 信息科學與技術學院，新疆 石河子 832003）

由于傳統(tǒng)大水漫灌的灌溉方式和過度施肥的施肥技術造成了水和肥料的過度使用，增大了農(nóng)民的生產(chǎn)負擔，所以，采用了一種引入遺傳算法的農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡進行監(jiān)測，并利用水肥一體化進行作物灌溉施肥的技術。該技術保障了生產(chǎn)過程中的水資源和肥料的高效利用，大大延長了傳感器節(jié)點的使用壽命。該技術為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物增產(chǎn)和減少生產(chǎn)負擔提供了一種方式，具有很好的應用前景。

水肥一體化；基本遺傳算法；農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡；農(nóng)業(yè)作物

水肥一體化技術是一種將灌溉與施肥過程結合，將水和肥料精準地送達作物根部的高效農(nóng)業(yè)技術。能夠根據(jù)作物不同生長時期的作物養(yǎng)分需求，對作物進行差異化的水肥供給。該技術既能夠使作物的生長得到充足的養(yǎng)分，又能避免肥料和水的過度使用。利用無線傳感器網(wǎng)絡進行作物生長環(huán)境和情況的監(jiān)測，根據(jù)作物需求及時更改水肥比例，充分保障作物的生長所需。

1 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡技術依托于傳感器技術，由許多無線傳感器節(jié)點構成了無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)對模擬數(shù)據(jù)的采集、無線傳輸和處理。因此，借助無線傳感器來達到對特定目標范圍的測量和監(jiān)控，在農(nóng)業(yè)上多用于對農(nóng)作物生長參數(shù)，比如溫度、土濕和光強等數(shù)據(jù)的測量[1]。無線傳感器網(wǎng)絡獲取的數(shù)據(jù)進行處理后傳輸?shù)教囟ㄓ脩舻臋C器中，以實現(xiàn)信息的采集。無線傳感器節(jié)點的布置多采用分布的形式[2]。無線傳感器節(jié)點根據(jù)環(huán)境的復雜程度，在部署過程中能夠借助運輸設備隨機投放到區(qū)域內(nèi)，也可以在按照相應策略決定無線傳感器節(jié)點的分布。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡構成

在農(nóng)業(yè)中，無線傳感器網(wǎng)絡多用于檢測作物等，因此，無線傳感器節(jié)點大多位于固定的地點，在使用過程中并不會移動或在極小范圍內(nèi)偏移[3]。這些節(jié)點采用“多跳”的方式和自組織的方式，在特定區(qū)域內(nèi)進行無線傳感器網(wǎng)絡的更新和對所采集的作物數(shù)據(jù)進行傳送處理[4]。

無線傳感器網(wǎng)絡由各個面向不同參數(shù)的的無線傳感器節(jié)點組成。在農(nóng)業(yè)中，不同作物的參數(shù)、在網(wǎng)絡中不同功能節(jié)點的比例并不相同[5]。節(jié)點的類型有多種，但其模塊基本組成包含四個部分，即數(shù)據(jù)收集、處理和管理、無線傳輸和電源模塊[6]。數(shù)據(jù)收集模塊一般包含傳感器和模擬量到數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)換過程，數(shù)據(jù)處理借助節(jié)點中的微處理器和存儲器實現(xiàn)[7]。由于環(huán)境的復雜性，無線傳感器節(jié)點受到環(huán)境的影響，其數(shù)量會經(jīng)常變化，也會遇到某些節(jié)點失效[8]，這時往往使用自組織的方式更新網(wǎng)絡使新節(jié)點并入網(wǎng)絡進行監(jiān)測。

大部分無線傳感器節(jié)點受體積限制，攜帶能源有限[9]，而無線傳感器能源的更換難以實現(xiàn)或成本過高，因此，如何提高節(jié)點能源的利用效率是值得思考的問題。無線傳感器節(jié)點攜帶的有限能源，使得其覆蓋范圍有限，且使用多條路由的方式來實現(xiàn)遠距離的通信。無線傳感器網(wǎng)絡所處的環(huán)境比較復雜，面對節(jié)點的失效和添加，網(wǎng)絡的拓撲結構也在經(jīng)常變化。如何對網(wǎng)絡的更新快速反應和可靠性優(yōu)化，保持網(wǎng)絡的連通性也是一個重要的優(yōu)化方向。

1.2 節(jié)點定位

在農(nóng)業(yè)中，根據(jù)作物位置的差異來布置節(jié)點，只有確定傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的位置，才能準確地測定溫濕度和光強等參數(shù)。對傳感器節(jié)點的定位是對節(jié)點在網(wǎng)絡中的坐標進行測定，其中較為簡單的是測定二維坐標，當節(jié)點根據(jù)土壤深度布置時也需要測定三維坐標。有一種基本的測定坐標方法是基于距離測量的方法，該方法利用多個圓形相交，在明確參考圓心坐標的情況下，可以確定所測節(jié)點的位置。

2 無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋

無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋的主要研究方向為節(jié)點覆蓋技術。二維傳感器的覆蓋范圍是一個圓，因此，使用傳感器來完成對覆蓋范圍內(nèi)的參數(shù)的采集，這就是無線傳感器網(wǎng)絡的覆蓋。而保障節(jié)點通信的連通性以及延長有限能源節(jié)點的壽命，則是通過調(diào)整冗余節(jié)點的休眠和喚醒的順序來實現(xiàn)的。覆蓋可分為3種方式：①點覆蓋方式是對被覆蓋范圍內(nèi)的特定目標進行監(jiān)測；②柵欄覆蓋是對跨越敏感區(qū)域情況的檢測；③區(qū)域覆蓋是要求目標區(qū)域完全被覆蓋，對該區(qū)域內(nèi)所有的點都能夠進行檢測[10]。

基本遺傳算法原理是自然界染色圖的遺傳過程。染色體經(jīng)過選擇、交叉和變異，產(chǎn)生新的子代染色體。在每一代進化后，對每一子代染色體按照一定的條件進行適應度評估。根據(jù)適應度值判斷下一代該個體的選擇概率，采用輪盤賭的方法對種群父代和母代個體進行篩選，進行下一代的遺傳。

3 基于遺傳算法的無線傳感器網(wǎng)絡

遺傳算法是一種根據(jù)大自然生物遺傳、交叉和變異過程，提出的一種高效求解復雜難題的智能優(yōu)化算法。遺傳算法模仿自然界優(yōu)勝劣汰的規(guī)則，在優(yōu)化過程中將不同的個體根據(jù)適應函數(shù)計算，判斷不同的適應度。種群中適應度高的個體，在遺傳過程中會有更高的概率被選擇成父代或母代，用以產(chǎn)生新的子代。在遺傳的過程中優(yōu)質(zhì)的個體更容易產(chǎn)生子代，種群中個體不斷更新，使得種群得以進化。

農(nóng)業(yè)環(huán)境中，作物的生長參數(shù)和環(huán)境參數(shù)是傳感器節(jié)點所要監(jiān)測的對象。對于感知范圍受限的節(jié)點，僅能通過監(jiān)測其周圍的物體來實現(xiàn)其功能。覆蓋條件的設定因素有2點，即滿足條件范圍內(nèi)的無線傳感器節(jié)點數(shù)量和受感知的作物數(shù)量。判斷節(jié)點對作物的覆蓋成功與否是根據(jù)設定條件來判斷的，由于無線傳感器節(jié)點的能力有限，所以判定數(shù)量有限的節(jié)點，每個節(jié)點只能覆蓋有限數(shù)量的作物。成功監(jiān)測的條件為：對于某作物，檢測網(wǎng)絡中該節(jié)點對該作物生效的數(shù)量達到設定個數(shù)時，可判斷該作物被成功監(jiān)測。

成功定位一個作物至少需要3個節(jié)點被成功監(jiān)測。所以，設定一個作物需要特定數(shù)量節(jié)點的成功監(jiān)測。約束條件有2個：①節(jié)點無法覆蓋限定條件外的作物；②被覆蓋的作物必須要滿足節(jié)點的條件，在無線傳感器網(wǎng)絡中該節(jié)點才能對作物生效。

在無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋問題中，一種比較成熟的方式是“貪婪算法”，其原理為：節(jié)點處于網(wǎng)絡中時必須始終處于喚醒狀態(tài)，從而保證通信的流暢和對覆蓋區(qū)域的監(jiān)測。而基于GA的網(wǎng)絡覆蓋中，會調(diào)整網(wǎng)絡中節(jié)點的休眠和喚醒順序，從而提高節(jié)點中能源的利用效率，延長無線傳感器網(wǎng)絡的使用壽命。

設定土地區(qū)域為200 m×200 m，作物150個，傳感器節(jié)點有100個。由于環(huán)境的復雜性，在仿真中傳感器節(jié)點和作物在土地區(qū)域中隨機分布。遺傳算法中，種群中個體數(shù)量為個，交叉概率為，染色體變異概率為，最大進化代數(shù)為。遺傳算法的過程如下：①初始化種群。對種群中所有個染色體進行編碼并賦值。值為0表示該節(jié)點失效或休眠，值為1表示該節(jié)點喚醒工作。②對種群中的染色體依據(jù)適應條件進行賦值，并判斷種群進化的代數(shù)是否達到最大進化代數(shù)，如果≤，則繼續(xù)執(zhí)行下一步，否則結束算法流程。③輪盤賭選擇。將種群中所有染色體的適應值進行加和，按照每一個體的所占的比例確定該個體的選擇概率。按每一輪輪盤賭的方式進行次選擇，依次選出個新的染色體。④交叉。按照交叉概率對染色體進行單點交叉。⑤變異。按照變異概率對染色體進行變異。⑥將經(jīng)過選擇、交叉和變異后形成的新染色體組成下一代種群，轉(zhuǎn)入②中進行操作。⑦結束算法。輸出最后一代無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)化結果。

4 水肥一體化技術

水肥一體化是近年來農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點之一。由于中國國土面積廣闊，東西跨度和南北跨度大，不同地區(qū)的不同灌溉施肥環(huán)境并不相同。利用無線傳感器網(wǎng)絡，收集分析該地的作物生長參數(shù)數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析，依據(jù)作物的在生育期內(nèi)需求、環(huán)境和無線傳感器的反饋信息，對農(nóng)業(yè)的作業(yè)進行及時的調(diào)整和預測。

天氣和環(huán)境在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中自古以來都占有很重要的地位，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中生產(chǎn)環(huán)境的變化也是重點監(jiān)測的對象。農(nóng)業(yè)作物被地區(qū)氣候所影響，作物的生產(chǎn)作業(yè)規(guī)律也不相同。因此，從2個方面來分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的參數(shù)：①土壤和環(huán)境的相關參數(shù)，例如濕度和土壤濕度、溫度和地溫、光照強度、二氧化碳濃度等；②從作物的角度出發(fā)，分析觀測不同地區(qū)的典型作物的生長參數(shù)，如冬小麥、大豆、蔬菜、果樹等，并進行了橫向的比較，將各地區(qū)同一作物的作物生長參數(shù)進行比較分析。通過無線傳感器節(jié)點對作物生長參數(shù)進行及時的監(jiān)測和反饋，可以對未來的生產(chǎn)作業(yè)提前進行安排，以達到減少農(nóng)民生產(chǎn)成本、減少水和肥料等資源浪費的目的。溫度的變化對作物生產(chǎn)有很大的影響，對作物產(chǎn)量和生長狀況有直接影響。在作物的生長時期中，環(huán)境溫度直接影響到作物不同時期的發(fā)育情況，也會影響到作物的蒸騰作用等。地溫的溫度曲線變換與環(huán)境的變化趨勢大致相同，土壤溫度的變化速度相對緩慢，日間溫度和夜間溫度只有小幅度變化。地溫對作物根須有直接影響，處于不同土壤溫度的作物地下根系對水分和肥料的吸收會有差異。作物對水分的吸收主要利用根系，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點對土壤水分的監(jiān)測就是對作物水供給的直接環(huán)境的監(jiān)測，有利于水肥一體化中對控制系統(tǒng)的參數(shù)反饋。

田間種植時，由于密度較大，如果對作物的二氧化碳供給不足，二氧化碳在田間作物中含量過低，就會阻礙作物的光合作用，影響作物的生長。而作物光合作用的來源，即二氧化碳主要存在于大氣中。在作物進行光合作用時，提供二氧化碳就能促進光合作用，從而使作物增產(chǎn)。光合作用的原料是水和二氧化碳，提高二氧化碳的濃度對于缺水的作物將會減少水的消耗，對于缺水植物也能起到增產(chǎn)的作用。

5 總結

作物的最佳生長需求與自然環(huán)境所供給的量的差值較大。為了達到作物增產(chǎn)的目的，水肥一體化系統(tǒng)需要準確地預測作物養(yǎng)分的供給，并提供給作物。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術發(fā)展迅速，無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測與水肥一體化系統(tǒng)相結合。該技術根據(jù)作物所需，將養(yǎng)分直接作用于作物根系土壤，既能減少養(yǎng)分浪費，也能節(jié)省人力資源，人們能合理地規(guī)劃作物成產(chǎn)和作息。作物的增產(chǎn)需要養(yǎng)分的充足供給，水肥一體化技術能夠在滿足作物需求的條件下減少資源浪費，是一種高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術，具有很好的市場前景。

［1］周杰，王申，田敏.DSP技術在農(nóng)業(yè)工程實驗實踐中的應用［J］.現(xiàn)代職業(yè)教育，2019（7）：34-35.

［2］王申，周杰，田敏.新模式在農(nóng)業(yè)工程DSP技術中的實踐研究［J］.現(xiàn)代職業(yè)教育，2019（4）：94-95.

［3］周杰，王申，田敏.信息化模式在農(nóng)業(yè)工程DSP技術實踐中的應用［J］.天工，2019（4）：46-47.

［4］盧毅，周杰，萬連城.一種無線傳感器網(wǎng)絡二維目標覆蓋的改進方法［J］.西安電子科技大學學報（自然科學版），2019，46（2）：101-106.

［5］周杰，楊景文，馬良，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化技術［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2018（10）：106-107.

［6］王申，周杰，田敏.視頻技術在農(nóng)業(yè)工程實踐中的應用［J］.天工，2019（2）：34-35.

［7］周杰，馬良，楊景文，等.物聯(lián)網(wǎng)技術在水肥一體化中的應用［J］.南方農(nóng)機，2018，49（19）：4，7.

［8］劉寶，向麗，周杰.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術與水肥一體化技術［J］.農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2018，29（23）：64-65.

［9］萬毅，劉寶，周杰.基于WSN的農(nóng)業(yè)信息研究緒論［J］.科技與創(chuàng)新，2018（22）：88-89.

［10］向麗，劉寶，周杰.基于物聯(lián)網(wǎng)的高效滴灌施肥系統(tǒng)［J］.南方農(nóng)機，2018，49（19）：83，87.

劉寶（1996—），男，河南周口人，本科，研究方向為電子信息工程。

周杰（1982—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士，研究方向為電子信息工程。

國家自然科學基金項目（編號：61662063）；促進與美大地區(qū)科研合作與高層次人才培養(yǎng)項目“基于智能優(yōu)化控制的滴灌施肥技術研究”；石河子大學混合式教學改革專項（編號：BL2017032）；石河子大學研究生教育教學改革項目（編號：2019Y-JGFF03）

S224.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.002

2095－6835（2019）17－0005－02

〔編輯：張思楠〕