基于无线传感器网络的农业精准控制系统研究*

2014-06-13柯尊平刘向阳

微处理机 2014年2期

鲍娟，柯尊平，刘向阳

(湖北医药学院，十堰442000)

1 引言

目前，世界设施农业己经发展到较高水平，形成了成套的技术、完整的设施设备和生产规范，并在向自动化、智能化、网络化和无线化方向发展［1－2］。中国设施农业研究始于20世纪80年代后期，经过几十年的发展，取得了举世瞩目的成就。以蔬菜、瓜果、花卉为主的设施栽培面积发展速度异常迅猛，我国设施栽培面积目前已经突破1500万亩，成为世界设施栽培面积最大的国家［3－4］。

在设施农业领域，无线传感器网络也有着得天独厚的优势:一方面，低功耗、微型化、高度集成、低价格的传感器节点，可以密集部署在农业设施内部，实时监测生物的各种生长环境因素，包括温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤含水量、土壤电导率以及土壤养分等;另一方面，与传统的传感器手段(如单一大型传感器、有线传感器网等)相比，WSN具有无基础设施(自组织)、精度高、灵活性强、可靠性好等优点，可以有效解决设施农业环境现场监测数据的采集、自组多跳的无线发送等问题，因而成为目前研究的热点［5－7］。

2 目前农业环境监测系统存在的问题

(1)监测系统的稳定性、可靠性低。

现有的设施农业环境监测系统，通信技术主要采用串行总线技术和现场总线技术等有线通信技术。虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但是实际应用时，由于设施内环境长期高温、潮湿且土壤及空气具有较高的酸碱性，极容易导致通信电缆的老化，从而降低系统的可靠性。

(2)监测系统部署困难，安装及维护成本高。

现有的设施农业环境监测系统，大多使用传统的传感器技术，工作在有线或无线方式，为提高监控精度，使用多传感器技术。其缺点是明显的:①如果采用导线连接传感器，在实际的农业生产应用中，由于需要密布传感器节点，才能实现对监测区域的有效覆盖，这将导致在农业设施内部线缆纵横交错，监测系统施工难度大，安装及维护成本急剧增加。②如果采用传统无线方式连接传感器，由于网络拓扑、通信基础设施、信道质量和成本等方面制约，使用范围受到很大限制。由此导致的问题是:①传感器节点无法密集部署在监测区域并覆盖该监测区域，实现监测区域任何时空尺度的探测;②各传感器节点难以协同工作并形成闭环响应系统，实现所采集的大量数据实时融合和数据相关性实时分析。恰恰这是实现工厂化设施农业环境精准控制的两个前提条件。所以，传统的检测技术直接制约着设施农业的现代化进程。

3 无线传感器网络在精细农业中的应用

无线传感器网络(Wireless sensor Networks，WSN)是一种无中心节点的全分布式系统。通过随机投放的方式，众多传感器节点被密集部署于监控区域。各传感器节点集成有传感器模块、控制器模块、通信模块和电源模块等，它们以无线通信方式，通过分层的网络通信协议和分布式算法，可自组织地快速构建网络系统。传感器节点间具有良好的协作能力，借助于其集成的形式多样的传感器，传感器节点可探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、水质状况、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等诸多人们感兴趣的物理现象数据信息，通过网关，WSN可以接入Internet，从而将采集到的信息回传给远程终端用户。

首先，建立基于无线传感器网络的设施农业精准控制系统的整体结构和协议栈。系统主要由四个部分组成:无线传感器网络、无线传输网关、网络基础设施(主干网)和任务管理网络(用户网络)。根据系统的应用背景和应用特点，设计专门的VIP桥，设计适合的无线传输网关，并对协议栈进行跨层优化设计，使得基于无线传感器网络的设施农业精准控制系统具有更加优越的能量有效性。

其次，部署基于无线传感器网络的设施农业精准控制系统所需的传感器节点和执行机构。在系统应用中，需要在监测区域随机部署若干传感器节点和执行机构。传感器节点的主要任务是感知、采集和传输各种环境信息。执行机构的主要任务是通过控制各种直流电磁阀来控制设施内部对应的物理装置，达到调节设施内部环境条件的目的。研制的节点与执行机构具有节能、数据传输准确、传输速率快等优点。

再次，设计基于无线传感器网络的设施农业精准控制系统管理软件。管理软件运行在微型计算机上，管理软件包括后台管理软件和数据管理软件。后台管理软件主要包括:数据库子模块、数据处理引擎子模块、后台组件子模块和用户图形界面子模块。数据管理软件主要包括5个子模块:参数设置子模块、数据采集子模块、数据处理子模块、控制输出子模块和数据管理子模块。通过控制系统可以实现远程数据融合、数据存储、数据校正、数据查询、数据显示、打印等功能。系统框图如图1所示。

图1 基于无线传感器网络的设施农业精准控制

4 关键科学技术

(1)无线传感器网络节点技术

设施农业监测网络中，传感器节点均被部署在复杂的环境中，这样传感器网络必须能够在无任何网络基础设施的环境中进行长期的自主工作，传感器节点的能量主要由电池提供。由于节点受自身特点的限制，节点能量寿命是有限的，而采用太阳能电池或有源电源，又因环境复杂，目前实际应用较少。重点主要研究节点通信，采取优化网络层和MAC层协议的方式，使节点通过协作方式完成通信监测任务，达到节能控制的目的。

(2)无线传感器通信协议

无线传感器网络是自组织网络，建立较为完善的网络拓扑控制管理机制，对于提高路由协议和MAC协议效率是很有帮助的，还有利于延长网络寿命。重点主要研究在满足网络覆盖度和连通度的情况下，通过选择路由路径，生成一个能高效转发数据的网络拓扑结构。拓扑控制方面主要研究节点功率控制。控制每个节点的发射功率，均衡节点单跳可达的邻居数目，提高无线传感器网络的效率。

(3)无线传感器网络数据管理技术

无线传感器网络是以数据为中心的网络，其目的是感知、获取、传输、处理传感数据，并将信息传送给用户。传感器网络为了有效节省能量，在传感器节点收集数据的过程中，利用本地计算和存储能力将数据进行融合，取出冗余信息，从而达到节省能量的目的。无线传感器网络的设计以传感数据管理为中心，密切结合数据库技术和计算机网络技术，从逻辑概念和软硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，为用户提供一个有效的传感数据管理系统，使用户如同使用普通的数据库一样自如地在无线传感器网络上进行各种应用系统的开发。