无线传感网络技术在农业方面应用

郭 婷

（北京邮电大学 测控技术与仪器专业，北京 100876）

1 无线传感网络技术

无线传感器网络是由多个节点组成的面向任务的无线网络，是一种无基础设施的网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，能协作地进行实时监测、感知和采集节点部署区域的各种环境或监测对象的信息(如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，通过无线网络最终发送给观察者。观察者通过获取的信息进行操作，或者直接通过设置使其智能完成任务。

2 系统设计与关键技术

（1）总体分析。运用“传感器节点及部署+系统软件+软件协议及数据处理”三级结构来构建整个监测系统，在该系统中，在测量控制区，采用不同的传感器节点和具有简单执行器构成网络。田地自动灌溉系统通过节点，自动地采集分散于田间的多个不同地方的土壤湿度、温度、光照等参数，同时实现实现太阳能电池对节点供电，并通过系统处理得到其平均值，并将天气预报，根据天气预报中的天气情况，以及植物的所处的生育期跟采集的参数相结合通过系统分析从而自动控制其灌溉量，并建立数据库保存其温度，土地湿度和光照，以利于多年的对比，也实现数据保存，利于生长情况科学分析，同时建立友好的界面，实现自动灌溉系统任何人都能对其进行操作。

（2）节点的设计。传感器节点是传感器网络中最重要组成部分，由于应用的范围不同，传感器节点也略有不同，但基本单元的组成是一致的，有传感器模块(传感器以及相关信号调理和数模转换等)、处理器模块(CUP、嵌入式操作系统、存储器)、通信模块以及能量供应模块。系统可采用GAINSJ-JN5139节点I/O扩展端口外接传感器采集湿度，温度和光强信号。

（3）处理器模块。由于传器结点使用电池供电而且必须长期在野外工作，所以在选处理器模块时低功耗是一个非常重要的技术指标。而JN5139模块适用于IEEE802.15.4和Zig Bee的软件应用。芯片集成了一个32位RISC处理器，可充分兼容2.4GHZIEEE802.15.4收发器。并且整个系统的数据传输采用Zig Bee解决方案。

（4）传感器模块。温度的测量采用数字式温度传感器DS18B20。DS1820直接输出数字量到从节点，期间不需要经过A/D转换处理，数据以二进制方式发送到电脑主端后还原成十进制数与设定值做比较，实现主从机的双向通信。光强的测量采用小型光电池感应光强，测得的电压经过放大处理传送到GAINSJ模块进行A/D转换，再传送到电脑进行处理。土壤的湿度使用湿度传感器SHT10测量，数据以二进制方式发送到电脑主端后还原成十进制数与设定值做比较，综合光强，温度控制灌溉的量。

（5）硬件支持部分。如图1所示，当节点提供5 V开关电压，继电器导通，使电压加载在电磁阀上，电磁阀开启。当节点撤去5 V电压时，电磁阀自动关闭。考虑到大部分时间不需要出水灌溉，所以选择常闭型电磁阀作为本系统的阀门。由于节点IO的电流不足以驱动继电器工作，而且继电器内的线圈在断电后会产生较大的电流，可能引起电流倒灌，烧坏节点单片机，因此，需要为继电器搭建一个简单的外围驱动电路才能正常工作。具体电路图如下图所示。

图1 传感器电路图

（6）系统的软件支持部分。建立个人计算机设计用户操作界面，采用V.C.6.0实现界面取代外接的键盘、显示器等输出设备，在实时显示影响植物生长的各个参数值的同时自动选择合适的条件灌溉，更为直观和人性化；1 wsn的数据库模型采用关系数据库模型，DBMS的结构采用集中式分布结构或半分布结构。集中式分布结构；各个从节点将数据传给主节点，主节点不做任何数据处理而是直接将数据传给上位机中的数据库里，虽然这样可以节省节点能源，用c++等高级语言设计用户界面，同时用嵌入式SQL语句，建立数据库，以及相应属性，并用高级语言获得从节点上传的数据作为数据库的元组插入数据库中，这里要注意各个从节点每隔一段时间上传采集数据，主节点每隔相同时间收集数据并上传，用户的界面再数据库编程时要设计每隔相同时间更新数据库，这样便完成对于各个从节点所在地的信息的实时掌控检测。

3 系统结构

无线传感网络的节点可任意散落在被检测区域内，以自组织形式构成网络，各节点与主机通信通过Zig Bee技术实现。同时系统亦可人工控制是灌溉行为，在自动灌溉开启的情况下，当湿度高于设定值时不进行灌溉；当湿度低于设定值且温度亦低于设定值时系统自动灌溉，当温度低于设定值，但温度高于设定值时，则只有在有强光低于设定值才浇灌。在自动关闭的情形下，值可用人工控制。系统架构图如图2所示。

图2 传感器系统架构图

4 结语

此自动化灌溉系统能够通过对田间的田间温度，湿度和光照强度采集，以及系统对作物的生育期的判别相结合正确的分析出控制灌水时间、灌水量和灌溉周期，而人的工作仅仅是调整控制程序和检修控制设备。而且界面上能显示即时额温度，湿度和光照强度的平均值。并能手动对灌溉系统实行控制。并且数据库能保存所有的温度，湿度和光照强度数据，为以后天气条件分析提供精确数据。同时节点采用太阳能来节能，避免要经常为节点换能源。田间通过采用自动灌溉系统能提高水的有效利用率，又能节省人力，同时也提高作物的产量，可以产生良好的经济效果，并且很好的实现创新，将历史的数据存储下来，为未来分析提供条件。

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