無線傳感技術在設施農業(yè)中的應用

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摘要：隨著我國農業(yè)的持續(xù)發(fā)展，先后出現(xiàn)了一系列高精尖農業(yè)生產技術，能夠智能、精準地完成包括蔬菜大棚溫度監(jiān)測等在內的眾多工作，從而有效提高了農作物產量。在這一背景下，本文以無線傳感網(wǎng)絡技術為主要研究對象，在對無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)進行簡要介紹的基礎上，嘗試針對蔬菜溫室大棚設計一種無線傳感網(wǎng)絡，并對其在設施農業(yè)中的實際應用進行簡要分析，為相關研究人員提供一定的參考。

關鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡技術；設施農業(yè)；智能控制；溫室大棚

目前，國內外有眾多研究人員通過對無線傳感網(wǎng)絡技術展開研究，證明其能夠有效為設施農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供重要的技術支撐，有助于農產品生產效率的大幅度提高，全面提升設施農業(yè)管理水平。但是，由于無線傳感網(wǎng)絡技術在我國的發(fā)展尚處于初級階段，因此在其應用過程中還存在部分問題亟待解決。

一、無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)概述

現(xiàn)階段，絕大多數(shù)研究人員認為所謂的無線傳感網(wǎng)絡指的就是一種以片上系統(tǒng)及微機電系統(tǒng)為基礎，融合了無線通信技術以及功耗較低的嵌入式技術等在內眾多現(xiàn)代科學技術而發(fā)展生成的新型應用技術。其主要是通過在檢測區(qū)域當中布設各種微型傳感器，通過運用傳感器技術及信息技術實時采集溫濕度等各項相關信息數(shù)據(jù)，并搭配使用網(wǎng)絡通信技術將原本分散的微信傳感器節(jié)點相互連接，進而構成一個完整的多跳自組織網(wǎng)絡[1]。在路由協(xié)議的作用下，將多調跳中轉者節(jié)點中轉至Sink節(jié)點上，最終向遠程控制中心傳輸采集獲取的數(shù)據(jù)。由管理節(jié)點負責對數(shù)據(jù)進行接收以及分析處理。圖1即為無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)結構。

二、蔬菜溫室大棚無線傳感網(wǎng)絡的設計

（一）硬件設計

1.傳感器節(jié)點

以蔬菜溫室大棚為例，在設計無線傳感網(wǎng)絡的過程中，在硬件部分的傳感器節(jié)點設計上，嘗試運用UNIT無線通訊協(xié)議，從而使得各傳感器節(jié)點之間能夠實現(xiàn)自由通信傳輸。該種通訊協(xié)議采用了433MHz和470～510MHz等頻段，穿障能力較強，并且傳輸距離至少可以達到500m，可以同時支持包括星型、樹型等在內的眾多網(wǎng)絡拓撲，構建超過1000個節(jié)點的大規(guī)模應用網(wǎng)絡。此次設計使用的智能芯片是一種采用片上系統(tǒng)與UNIT無線通訊協(xié)議，實現(xiàn)包括工業(yè)級增強型微處理核、2.4GHz直接系列擴頻RF收發(fā)器等高度集成化，擁有超過20個通用接口且可以同時支持4種供電模式，無線接收靈敏度較高，不易受到外界因素的干擾影響，傳輸距離在75m以上，最高傳輸速率可以達到250Kbps的芯片。其工作溫度最低可達到-40℃，最高可達到125℃，工作電壓在2.0～3.6V。并且為了能夠有效保3.傳感器節(jié)點在設施農業(yè)生產中，溫濕度、光障其可以長時間運行，在電源模塊當中同時使用了可充電電池及太陽能電池，并搭配使用電源管理單元。

2.網(wǎng)關/匯聚節(jié)點

在設計網(wǎng)關/匯聚節(jié)點時，選擇使用具有功耗較低但性能較高特性的CMOS芯片，即DM9161，其即可以滿足10M以太網(wǎng)傳輸，同時也支持100M以太網(wǎng)傳輸。在將其與相應通訊接口進行直接連接下，成為網(wǎng)絡物理層接口，監(jiān)測得到的通信流量及網(wǎng)絡狀態(tài)相關數(shù)據(jù)信息則直接在顯示模塊當中實現(xiàn)可視化呈現(xiàn)，為后期安裝調試無線傳感網(wǎng)絡以及診斷網(wǎng)絡故障提供便利。照以及土壤的水分和養(yǎng)分含量等各項參數(shù)均會對農作物的生長以及設施農業(yè)自身發(fā)展起到相應的影響作用?？紤]到無線傳感網(wǎng)絡中使用了電池供電方式，因此，在設計傳感器時還需要對包括功耗等在內的眾多因素進行充分考量[2]。此外，由于各參數(shù)測點在分布及數(shù)量配置上存在一定的差異性，因此，在節(jié)點布設的過程中應結合實際情況進行適當整合，使得傳感器節(jié)點能夠得到重復循環(huán)使用，以有效降低設計成本。例如，在溫度節(jié)點設計上，可以采用單總線數(shù)字式DS18B20溫度傳感器進行溫濕度的實時、精準測定。該溫度傳感器的測溫范圍在-55～125℃，精度誤差控制在±0.5℃，響應時間不超過1s，最高分辨力可以達到±0.0625℃。而在土壤水分傳感器設計上，則可以通過選擇使用適用范圍較廣的AQUA-TEL，其測量范圍在0%～100%，誤差不超過3%，而重復性誤差更是低于1%。通過利用生物傳感器或是離子傳感器便可以有效地對土壤的有機質含量、酸堿度及氮磷鉀含量等進行實時、精準測定。

（二）軟件設計

1.監(jiān)控系統(tǒng)軟件

在無線傳感網(wǎng)絡的軟件設計方面，通過參考其他相關研究資料，選擇運用模塊化的設計理念，通過利用VC編程軟件及SQL數(shù)據(jù)庫軟件，使得監(jiān)控系統(tǒng)中各項節(jié)點數(shù)據(jù)均能夠得到及時存儲及準確讀取，所有參數(shù)均能夠得到有效控制。該監(jiān)控系統(tǒng)主要由通信及顯示模塊、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫管理、查詢模塊和控制模塊共同組成，并利用相關網(wǎng)絡通訊協(xié)議及網(wǎng)絡技術將監(jiān)控系統(tǒng)與農業(yè)專家決策系統(tǒng)進行有機連接，從而使得在溫室大棚運用無線傳感網(wǎng)絡技術下，借助各傳感器獲取的溫濕度數(shù)據(jù)、土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)庫將對其展開深入分析研究并整合農業(yè)專家的決策意見，最終真實反映溫室大棚農作物的生長情況以及噴灌、施肥等實際情況，并對溫濕度調控等提出合理化建議。

2.主程序設計

為了使平均網(wǎng)絡功耗降至最低，真正實現(xiàn)自適應組網(wǎng)，在傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主程序設計中，該文使用了基于LEACH的自適應分簇拓撲算法，在對簇頭進行有效確定的基礎上，負責對簇區(qū)域中的各項數(shù)據(jù)進行搜集整理與有效融合，最后直接將其傳輸至匯聚節(jié)點中，完成選擇路由等各項相關工作。具體來說，當完成硬件的初始化之后，需要對無線通訊協(xié)議進行初始化并搜索網(wǎng)絡，確定加入網(wǎng)絡后進行開中斷，從而使得傳感器節(jié)點得以進入休眠狀態(tài)。當被喚醒后，立刻進行關中斷操作，并確定事件句柄，此時需要通過對各項關鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集及傳輸，在此過程中會自動動態(tài)生成簇頭，一旦簇頭丟失，需要重新選舉簇頭并對路由表進行更新，確定事件句柄后再次開中斷即可。

三、無線傳感網(wǎng)絡技術在設施農業(yè)中的實際應用

（一）無線傳感監(jiān)控體系

1.體系結構

在將無線傳感網(wǎng)絡技術應用于設施農業(yè)的過程中，農戶需要將UNIT無線傳感器裝設在溫室大棚當中，并將UNIT無線傳感器作為節(jié)點，從而依托網(wǎng)絡技術建立一個全覆蓋的無線傳感數(shù)據(jù)網(wǎng)。在普通花卉或是果蔬溫室大棚中，則需要建立包括溫濕度及光照等在內的基本傳感節(jié)點；而對于無土栽培及水產養(yǎng)殖等特殊農業(yè)大棚，則需要在大棚中設置溫度、溶解氧及酸堿度等在內的傳感節(jié)點，并專門配置液晶顯示屏及各項生理傳感器，用以實時監(jiān)測大棚中的有害氣體、水濁度、土壤營養(yǎng)成分以及蒸騰量、果實與莖稈的膨大和生長速度等[3]。通過依照相關標準，在規(guī)定位置處設置一定數(shù)量的不同類型的無線節(jié)點傳感器后，在對各項重要的環(huán)境參數(shù)、生理參數(shù)等進行及時搜集整理后，直接傳輸至農業(yè)智能專家系統(tǒng)中，交由農業(yè)專家進行科學、系統(tǒng)分析，從而準確了解大棚內各項農作物的實際生長情況與整體環(huán)境情況，判斷出具體的種養(yǎng)問題。最后利用無線網(wǎng)絡以短信等方式告知設施大棚農戶及當?shù)剞r業(yè)作業(yè)者，為其提供必要的技術咨詢與指導服務。圖4為利用無線傳感網(wǎng)絡技術建立的設施農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。

2.應用價值

通過利用無線傳感網(wǎng)絡技術及UNIT通信協(xié)議，并將大量不同類型的傳感器節(jié)點設置在農業(yè)大棚中，單節(jié)點傳輸距離最少能夠達到2km，將傳感器節(jié)點進行相互連接，能夠形成轉發(fā)監(jiān)控數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡，由此有效擴大對設施農業(yè)的監(jiān)控范圍。此外，無線傳感技術與UNIT通信協(xié)議的靈活運用，使得設施農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的容錯特性，且系統(tǒng)軟件及硬件的魯棒性相對較高，即便在高溫、低溫或是高壓等特殊環(huán)境下，同樣不會受到干擾影響，可以動態(tài)精準地監(jiān)測農業(yè)大棚中的各項環(huán)境參數(shù)及農作物的生理參數(shù)[4]。通過利用以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，根據(jù)具體的信道分布情況實時采集關于設施農業(yè)的各項重要參數(shù)并對其進行匯總整理，可以在保障數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性與及時性的基礎上，為提高設施農業(yè)管理水平發(fā)奠定堅實的基礎。此外，該文所設計的無線傳感網(wǎng)絡中，各UNIT節(jié)點工作電流峰值均不超過30mA，其在處于休眠狀態(tài)時電流不超過10μA，如果將采樣頻率設定為每隔5min工作3s，則該系統(tǒng)使用2節(jié)800mAh電池能夠持續(xù)不間斷地工作3個多月，在對節(jié)點傳輸距離進行優(yōu)化配置后，同樣可以達到有效控制無線傳輸功耗的效果。通過應用無線傳感網(wǎng)絡技術，農戶可以根據(jù)其獲取的各項重要參數(shù)掌握農作物的具體生長情況及設施栽培成效，尤其是系統(tǒng)智能診斷種養(yǎng)問題，并集合農業(yè)專家決策的功能，可以有效達到防范溫室災害，避免出現(xiàn)作物減產減收，從而幫助農戶達到經(jīng)濟效益最大化的根本目的。

（二）技術應用存在的問題

在應用過程中筆者發(fā)現(xiàn)，目前有部分傳感器如二氧化碳傳感器及通訊模塊的投入成本較高，對于廣大農戶而言，只有當應用無線傳感網(wǎng)絡技術獲得的經(jīng)濟效益比投入成本高時，才會選擇在設施農業(yè)生產中應用這一技術。因而未來在將該技術應用在設施農業(yè)中時，還需要重點加強對成本控制的深入研究，采取優(yōu)化傳感器選型或是對其進行節(jié)能改造等方式，以降低成本。此外，目前我國絕大多數(shù)農業(yè)大棚并不專門提供電源，因此，在應用無線傳感節(jié)點時需要使用電池對其進行長期供電，如何有效延長無線傳感節(jié)點供電時長，并盡可能減少節(jié)點能源消耗也是影響該技術在設施農業(yè)領域中應用的關鍵問題。

四、結語

該文針對農業(yè)溫室大棚設計了一種無線傳感網(wǎng)絡，通過利用UNIT無線通信協(xié)議以及各種不同類型的傳感器節(jié)點，對網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件和硬件進行合理設計，證明無線傳感網(wǎng)絡技術能夠有效防范溫室災害，幫助農戶動態(tài)化監(jiān)控溫室大棚環(huán)境及作物生長情況，具有強大的經(jīng)濟效益。但其在未來的應用過程中，需要集中解決成本較高、能源消耗大等問題。

參考文獻：

[1]張欽.設施農業(yè)中無線傳感網(wǎng)絡的設計與應用[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2017.

[2]張科軍，熊艷艷.無線傳感網(wǎng)絡技術在設施農業(yè)中的運用[J].鄉(xiāng)村科技，2016（33）：60-61.

[3]張新.無線傳感網(wǎng)技術在現(xiàn)代設施農業(yè)中的應用開發(fā)[J].安徽農業(yè)科學，2016（7）：296-299.

[4]郭亮.基于嵌入式技術和無線傳感技術的大棚溫室參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2012.

作者：范士建 單位：山東省濟南市長清區(qū)文昌街道辦事處農機站