基于无线传感器网络的精确农业系统

陈燕华，马 萱，李 燕

（重庆电力高等专科学校，重庆 400053）

0 引言

目前，我国农业的经济效益仍然非常低下，其主要原因是农民无法根据不同农田的实际需要进行合理的施肥、灌溉和施药等农事活动。灌溉过量造成水资源浪费，施肥不当严重污染农田环境。而水资源和农田资源都是当今紧缺的自然资源。

如何在有限的农田资源基础上，借助先进的信息技术提高农业的生产效率、经济效益以达到环境保护的目的，已经成为我国农业发展过程中必须解决的重大问题。目前，以现代化信息技术为特点的精确农业可以有效地解决上述问题。精确农业的核心是利用信息技术精确、及时地获取农田中每个小区土壤、环境以及作物的信息，诊断作物的生长情况和产量在空间上差异的原因;并单独对每个小区做出决策，准确地在每个小区上进行合理的灌溉、施肥、喷药等操作，以达到最大限度地提高水、化肥以及农药的利用效率，增加作物产量，减少环境污染，促进土地集约利用的目的。

无线传感器网络是二十世纪末发展起来的一种无线自组织网络技术，是集传感器技术、嵌入式计算技术以及通信技术于一体的新型产物，可以实时地采集周围环境的信息，并通过无线通信协议将采集的信息传送给用户，以实现实时监控。因此，无线传感器网络可以很好地应用于精确农业中，实时地获取农田土壤、环境以及作物的信息，并通过无线通信协议即时发送给用户，为用户提供现场监控的依据，从而实现农业生产的数字化管理。

本文提出一种基于无线传感器网络的精确农业系统。该系统基于完全自治的传感器节点，这些节点配备多个传感器用于实时地采集与土壤有关的温度和湿度等参数，可为农业管理提供一套闭环控制系统，并为农民提供大量的信息，以便评价灌溉流量和耕地产量之间的关系。

1 无线传感器网络及其在农业中的应用

微机电系统和纳米机电系统的快速发展促进了无线传感器网络应用于工业领域和居民生活中。无线传感器网络是一种由多个小传感器节点组成的网络，该传感器成本低，容易部署，而且功耗低［1］。一个传感器节点必须由四个主要部件组成，分别是数据采集单元、内存与处理器单元、通信单元以及供电单元。数据采集单元是由一系列传感器和模数转换器组成。传感器感应周围环境的信息，将获取的模拟信号转变为数字信号以便进一步处理和存储。在处理单元中，对存储的数据作进一步处理以便与其他传感器节点通信。供电单元采用太阳能电池或者AA大小的蓄电池［2］。供电单元影响传感器节点的大小。

无线传感器网络被用在农业中以提高农业生产效率和作物产量。它通过采集农田土壤、环境以及作物的信息并经由无线通信协议发送给用户，用户根据农田的实际需求情况进行合理的灌溉、施肥以及喷药等操作。现在对无线传感器网络的研究主要集中于精确农业。精确农业指的是感应、采集数据并将数据发送到控制工作台，控制工作台根据采集的数据进行决策制定。感应数据主要包括环境条件，如气候温度、风速、风向、土壤湿度、土壤的物理和化学特性等。蔬菜、植物的图像通常也被采集和识别以实现自动收割。Siuli Roy和Bandyopadhyay在2008年开发了一种体系结构，可以通过无线的方式把感应数据从农田发送到远程服务器。其中，传感器被用来测量四种参数，分别是土壤ph值、电导率、土壤温度以及土壤含水量。Jzau-Sheng Lin和Chun-Zu Liu提出了一种无线传感器网络场地信号监控系统，该系统使用片上系统平台发展精确农业，大大减少成本和节点大小［3］。Hui Liu等人于2009年设计了无线传感器网络对作物环境进行监控，发现天线高度是保证可靠通信的一个重要因素。N.A.Borghese等人采用图像传感器对农作物昆虫进行自动监控［4］。Dursen和 Ozden开发了一套自动灌溉系统并将它用于监控矮小的樱桃树。该系统感应特殊区域的水量并实现自动水滴灌溉。Xinjian Xiang使用模糊控制算法设计了一套Zigbee无线传感器网络以实现水滴灌溉。该系统测量土壤湿度、温度、光线强度和电导率四个参数，并根据测量结果进行水滴灌溉决策制定［5］。

2 系统框架

本系统由27个传感器节点组成，每个传感器节点配备5个型号为Decagon EC-5的土壤湿度传感器;1个基于SHT75传感器的土壤温度计;以及1个用于监控树干直径变化的测量仪。

这些传感器通过输入/输出接口连接到Tiny-Node无线传感器网络平台上。该平台上的电源供应子系统由一块铅蓄电池(6V，4.5A/h);一块电压为7V能够提供250mA电流的太阳能电池板;以及一块电压为3V、基于双频高效率开关稳压器的DC/DC转换器组成。

为了保证更有效的电源管理，并为传感器提供2.5V稳定电源，本系统采用了第二块DC/DC转换器。当探测流程启动时，只需通过CMOS开关就可以打开电压调节器。最后，为了探测8个模拟输入信道，本系统采用了一个由无线传感器网络节点控制的额外低电阻模拟多路复用器。

探测流程每十分钟(采样时间)启动一次。在这段时间，传感器节点是处于低功耗操作模式(同时也称作“睡眠模式”)，并且所有不必要的模块都处于关闭状态，比如射频模块和传感器。

用户可以根据需要自行调整采样时间。当土壤湿度传感器测量出的湿度发生快速变化时，为了更准确地监控当前的状态，采样时间可以自动变化。在这种情况下，节点的功耗非常低，电流大约只有80微安，电压6V。而且，此时的铅蓄电池通过太阳电池板进行充电。

当睡眠模式计时器到期后，探测流程就开始启动，2.5V的电压调节器也自动开启。经过5s的预热时间后，所有的传感器按顺序逐个被询问。在这个阶段，功耗大约是120mA，对应的电压是6V。为了实时监控网络的状态，每个节点同时收集与电池电压相关的数据、太阳电池板提供的电流、内部电压、以及微控制器的温度。除了传感器输入信号的电压，土壤湿度传感器以及植物直径生长测量仪的电源供应设备的电压也要进行采集，以便实时地补偿测量数据。

根据要求覆盖区域的维度，整个网络可以组织成星型或者多跳型拓扑。本系统的实现中，我们使用工作在868MHz的ISM频段中的传感器节点，该频段的最大输出功率为12dBm。而且，为了提高测量系统的可靠性并减少与多跳网络拓扑相关的功耗，本系统决定采用鲁棒性强、实现简单的星型拓扑来构建网络。星型无线传感器网络的拓扑结构如图1所示，包含传感器节点(Sensor Node)和汇聚节点(Sink Node)。

图1 系统网络框架

汇聚节点收到传感器节点发送的数据后，测量每个包的RSS值，并把数据包发给网关(Gateway)，网关为每个数据包分配日期和时间，并把原始数据发送到数据库，以便实时管理。最后，采用特定的公式对数据进行转化和标准化，并显示在网站上。

3 系统部署

传感器节点安装在塑料封箱内，以保护设备不受恶劣天气的影响。太阳电池板安装在塑料封箱上面。为了最大化充电效率，采用倾斜度为45°的特定支架对塑料封箱进行固定。

传感器节点部署在5000m2的大果园内，果园分成三块不同的区域，每个区域的灌溉方式是不一样的。在每个区域内，传感器节点是按网格方式进行等间距部署，网格大小为30m×40m。土壤湿度传感器位于地下的不同深度(－0.1m，－0.2m，－0.3m，－0.5m，以及－0.8m)。温度计被置于地下－0.2m的位置。植物直径生长测量仪放置在7棵苹果树上。

传感器节点连续地采集数据，并把数据传输到远离果园300m农场内的网关节点。接着，组织传感器采集的数据以及气象站采集的数据，并存入公共网络站点中的数据库内。用户可以从该站点内下载原始格式的数据，参数可以像GIS系统一样与位置信息一起显示出来。

4 结论

本系统为一套用于实现精确农业的无线传感器网络系统。该系统由多个完全自治的节点组成，每个节点配备了多个传感器以采集与环境参数相关的数据以及苹果树的生长状态。该系统采用星型拓扑构建无线传感器网络，具有低功耗和简单易用的特性，并采用塑料封箱对传感器节点进行保护，可延长节点寿命。在后续的工作中，我们将对该系统进行扩展，使系统可以根据传感器节点采集的数据进行自动灌溉，从而提高农业生产效率。

［1］ 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［2］ 任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络［J］.软件学报，2003，14(7):1282-1291.

［3］ 杨玮，李民赞，王秀.农田信息传输方式现状及研究进展［J］.农业工程学报，2008，24(5):297-302.

［4］ 邓小蕾，郑立华，车艳双，等.基于ZigBee和PDA的农田信息无线传感器网络［J］.农业工程学报，2010，26(2):103-108.

［5］ 邮志刚，卢胜利，刘景泰.面向精准灌溉的传感器网络的研究［J］.仪器仪表学报，2006，27(6):294-296.