基于UWB无线传感器网络在农业生产中的应用

洪锋　刘茹茹

摘要：如今农业生产蔬菜针对不同品种蔬菜，对环境的要求不同，湿度，温度以及二氧化碳浓度，光照强度都不尽相同，该文提出基于UWB无线传感器网络，在大棚蔬菜里面部署不同的传感器，来满足不同蔬菜的营养、光照、湿度的需求，对这些数据进行实时显示、存储、分析和处理，实现对温室作物生长的各种环境参数的控制，达到现代化管理、精准化作业和获取更高效益的目的。

关键词：UWB无线传感器网络；农业生产

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）16-3741-02

无线传感器网络检测一区域内事件中，通过大量布置监测对象的信息进行检测，处理。传感器节点通过一定时期内，被检测对象采集数据，然后采用UWB技术进行无线传输，通过该技术实现自动化和远程控制目的，UWB技术成本低，功耗少，数据传输速度好，安全性高，现在应用的其他无线技术主要有Zigbee，蓝牙，Wi-Fi技术，超宽带等无线网络协议，而与其他技术比较UWB显示了其极强的竞争力，收到广泛的关注和研究。

本系统通过结合嵌入式系统和无线传感器网络技术，实现温室内作物生长环境的温度，二氧化碳浓度，空气湿度，土壤湿度，光照强度等相关数据的获取和分析处理，通过UWB技术实现各种数据的传输，UWB设备在电池使用寿命山河电磁辐射有很大的优越性。最后根据不同农作物的生长需求来实现对各种环境参数的实时控制，达到现代管理，精准作业和获取最大效益化的目的。

1 UWB主要技术

1.1 UWB技术框架

UWB（Ultra wideband）无线通信是一种不用载波，采用时间间隔极短的脉冲进行通信，并且只有在需要发送的时候，才会工作，抗干扰能力强，传输速率高，发送功率小，针对大棚蔬菜对各种环境要求的不同，设置不同的传感器，主要有：二氧化碳浓度、空气湿度、，空气温度、光照强度、土壤温度、土壤湿度，这些信号经过传感器采集以后，通过模数转换发送到计算机上，无线传感器节点所采集的数据参数，以频射的方式穿透塑料薄膜或者墙体，该文不考虑频射的穿透能力，根据反馈信息设置相应的温度，湿度，光照强度，传感器节点的模型如图1所示。

1.2 UWB的拓扑结构

本文针对无线传感器网络主要是对环境中温度、湿度和光强度以及各种数据进行数据采集的UWB无线传感器网络。该网络的主要硬件结构主要由采集结点、路由节点、协调器节点和上位机终端组成，如图2所示。采集终端节点主要是用来对环境中的监测参量数据如二氧化碳浓度、空气湿度、光照强度、土壤相关参数进行数据采集，并将采集到的数据传输给汇聚结点（协调器）；路由节点承担两部分工作一方面采集数据并进行传输；另一方面对接收数据进行转发。协调器节点主要功能是接收采集结点以及路由节点的各路数据传输给上位机，同时将上位机终端的命令信息传送给各种采集结点和路由节点，主要是作为上位机和数据采集节点的耦合桥梁；上位机是用来显示采集的数据信息，并能发送指令控制数据采集节点、路由结点的工作。

2 监控系统设计

2.1节点的软件设计

一个汇聚接收器节点（协调器）、许多传感器节点、路由节点、工作站和数据库组成温室环境监控系统。采集节点和路由节点共同组成了收集信息的重要节点。在这种传感器网络中，传感器节点部署在温室，它可以采集实时数据和通过多跳方式传送数据到接收器节点（协调器）。

当传感器参数进行实时采集，如温室温度、土壤温度、露点、湿度和光照强度，这些数据将提供给A/D 转换器，通过量化和编码成为数字信号，它能通过无线传感器通信节点传送。每个无线传感器通信节点有传送和接收的能力，通信方式主要采用UWB技术。汇集器节点完成了数据分析和贮存的任务，并传输给上位机进行分析和处理。在监控室里通过运行温室管理软件，接收器节点可以定期收到来自无线传感器节点和在监视器上显示这些数据，图3是无线传感器的软件的工作示意图。

2.2节点的硬件设计

无线传感器网络的基本单位是各类节点。大量密切相关的具有相应应用要求的节点组成了硬件平台。因此，针对无线传感器网络硬件平台最重要的工作是节点设计，合理的硬件设计可以完美执行无线传感器网络的传送和监测功能，并体现UWB 的技术特点的优势。

图4显示了本系统通过无线传感器网络节点采集周围环境的温度和光照值以及二氧化碳的数值，并利用UWB技术无线的方式进行传输，且通过汇聚结点的处理能在显示屏和服务器上显示采集到的参量和相应数值，最终通过上位机来对搜集的数据进行相关分析，达到控制温室相关湿度、浓度。如果采集到的环境参数，如，温度、光照以及无线信号强度不满足系统要求时（温度过高或信号强度太差等），系统会启动蜂鸣器报警，同时显示屏上会显示相应的参量，以供用户根据不同植物生长需求进行相关的调整。

3 结论

本文将UWB技术应用在无线传感器网络并实现对农业生产中环境信息监测，实现农业生产的现代化，实现生产的自动控制。本设计成功实现了对环境温度、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、湿度及光强的监测，表明了该系统可应用于农业环境信息的监测，但是本系统在信号采集的传输距离上面还有待进一步研究。

参考文献：

[1] 李群，陈向坚，姜宇.基于ZigBee和SPI总线技术的WSN节点设计[J].传感器世界，2008，26（18）：1-9.

[2] 回楠木，乔晓军，王成.ZigBee无线农田采集控制系统的实现方案[J].农机化研究，2008，10（2）：1-10.

[3] 吴键，袁慎芳，殷悦，等.基于ZigBee技术的无线传感器网络及其应用研究 [J].测控技术，2008，19（5）：15-18.

[4] 黄金科，王兴华，向新.一种基于WI-FI的环境监控系统实现[J].传感器与微系统，2013，32（8）：95-97.

[5] 徐显荣，高清维，李中一.一种用于农业环境监测的无线传感器网络设计[J].传感器与微系统，2009，28（7）：98-100.

[6] 许东，操文元，孙茜.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J].计算机应用，2013，33（S2）17-20.

[7] 李莉，李海霞，刘卉.基于无线传感器网络的温室环境监测系统[J].农业机械学报，2009，40（增刊）.endprint

摘要：如今农业生产蔬菜针对不同品种蔬菜，对环境的要求不同，湿度，温度以及二氧化碳浓度，光照强度都不尽相同，该文提出基于UWB无线传感器网络，在大棚蔬菜里面部署不同的传感器，来满足不同蔬菜的营养、光照、湿度的需求，对这些数据进行实时显示、存储、分析和处理，实现对温室作物生长的各种环境参数的控制，达到现代化管理、精准化作业和获取更高效益的目的。

关键词：UWB无线传感器网络；农业生产

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）16-3741-02

无线传感器网络检测一区域内事件中，通过大量布置监测对象的信息进行检测，处理。传感器节点通过一定时期内，被检测对象采集数据，然后采用UWB技术进行无线传输，通过该技术实现自动化和远程控制目的，UWB技术成本低，功耗少，数据传输速度好，安全性高，现在应用的其他无线技术主要有Zigbee，蓝牙，Wi-Fi技术，超宽带等无线网络协议，而与其他技术比较UWB显示了其极强的竞争力，收到广泛的关注和研究。

本系统通过结合嵌入式系统和无线传感器网络技术，实现温室内作物生长环境的温度，二氧化碳浓度，空气湿度，土壤湿度，光照强度等相关数据的获取和分析处理，通过UWB技术实现各种数据的传输，UWB设备在电池使用寿命山河电磁辐射有很大的优越性。最后根据不同农作物的生长需求来实现对各种环境参数的实时控制，达到现代管理，精准作业和获取最大效益化的目的。

1 UWB主要技术

1.1 UWB技术框架

UWB（Ultra wideband）无线通信是一种不用载波，采用时间间隔极短的脉冲进行通信，并且只有在需要发送的时候，才会工作，抗干扰能力强，传输速率高，发送功率小，针对大棚蔬菜对各种环境要求的不同，设置不同的传感器，主要有：二氧化碳浓度、空气湿度、，空气温度、光照强度、土壤温度、土壤湿度，这些信号经过传感器采集以后，通过模数转换发送到计算机上，无线传感器节点所采集的数据参数，以频射的方式穿透塑料薄膜或者墙体，该文不考虑频射的穿透能力，根据反馈信息设置相应的温度，湿度，光照强度，传感器节点的模型如图1所示。

1.2 UWB的拓扑结构

本文针对无线传感器网络主要是对环境中温度、湿度和光强度以及各种数据进行数据采集的UWB无线传感器网络。该网络的主要硬件结构主要由采集结点、路由节点、协调器节点和上位机终端组成，如图2所示。采集终端节点主要是用来对环境中的监测参量数据如二氧化碳浓度、空气湿度、光照强度、土壤相关参数进行数据采集，并将采集到的数据传输给汇聚结点（协调器）；路由节点承担两部分工作一方面采集数据并进行传输；另一方面对接收数据进行转发。协调器节点主要功能是接收采集结点以及路由节点的各路数据传输给上位机，同时将上位机终端的命令信息传送给各种采集结点和路由节点，主要是作为上位机和数据采集节点的耦合桥梁；上位机是用来显示采集的数据信息，并能发送指令控制数据采集节点、路由结点的工作。

2 监控系统设计

2.1节点的软件设计

一个汇聚接收器节点（协调器）、许多传感器节点、路由节点、工作站和数据库组成温室环境监控系统。采集节点和路由节点共同组成了收集信息的重要节点。在这种传感器网络中，传感器节点部署在温室，它可以采集实时数据和通过多跳方式传送数据到接收器节点（协调器）。

当传感器参数进行实时采集，如温室温度、土壤温度、露点、湿度和光照强度，这些数据将提供给A/D 转换器，通过量化和编码成为数字信号，它能通过无线传感器通信节点传送。每个无线传感器通信节点有传送和接收的能力，通信方式主要采用UWB技术。汇集器节点完成了数据分析和贮存的任务，并传输给上位机进行分析和处理。在监控室里通过运行温室管理软件，接收器节点可以定期收到来自无线传感器节点和在监视器上显示这些数据，图3是无线传感器的软件的工作示意图。

2.2节点的硬件设计

无线传感器网络的基本单位是各类节点。大量密切相关的具有相应应用要求的节点组成了硬件平台。因此，针对无线传感器网络硬件平台最重要的工作是节点设计，合理的硬件设计可以完美执行无线传感器网络的传送和监测功能，并体现UWB 的技术特点的优势。

图4显示了本系统通过无线传感器网络节点采集周围环境的温度和光照值以及二氧化碳的数值，并利用UWB技术无线的方式进行传输，且通过汇聚结点的处理能在显示屏和服务器上显示采集到的参量和相应数值，最终通过上位机来对搜集的数据进行相关分析，达到控制温室相关湿度、浓度。如果采集到的环境参数，如，温度、光照以及无线信号强度不满足系统要求时（温度过高或信号强度太差等），系统会启动蜂鸣器报警，同时显示屏上会显示相应的参量，以供用户根据不同植物生长需求进行相关的调整。

3 结论

本文将UWB技术应用在无线传感器网络并实现对农业生产中环境信息监测，实现农业生产的现代化，实现生产的自动控制。本设计成功实现了对环境温度、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、湿度及光强的监测，表明了该系统可应用于农业环境信息的监测，但是本系统在信号采集的传输距离上面还有待进一步研究。

参考文献：

[1] 李群，陈向坚，姜宇.基于ZigBee和SPI总线技术的WSN节点设计[J].传感器世界，2008，26（18）：1-9.

[2] 回楠木，乔晓军，王成.ZigBee无线农田采集控制系统的实现方案[J].农机化研究，2008，10（2）：1-10.

[3] 吴键，袁慎芳，殷悦，等.基于ZigBee技术的无线传感器网络及其应用研究 [J].测控技术，2008，19（5）：15-18.

[4] 黄金科，王兴华，向新.一种基于WI-FI的环境监控系统实现[J].传感器与微系统，2013，32（8）：95-97.

[5] 徐显荣，高清维，李中一.一种用于农业环境监测的无线传感器网络设计[J].传感器与微系统，2009，28（7）：98-100.

[6] 许东，操文元，孙茜.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J].计算机应用，2013，33（S2）17-20.

[7] 李莉，李海霞，刘卉.基于无线传感器网络的温室环境监测系统[J].农业机械学报，2009，40（增刊）.endprint

摘要：如今农业生产蔬菜针对不同品种蔬菜，对环境的要求不同，湿度，温度以及二氧化碳浓度，光照强度都不尽相同，该文提出基于UWB无线传感器网络，在大棚蔬菜里面部署不同的传感器，来满足不同蔬菜的营养、光照、湿度的需求，对这些数据进行实时显示、存储、分析和处理，实现对温室作物生长的各种环境参数的控制，达到现代化管理、精准化作业和获取更高效益的目的。

关键词：UWB无线传感器网络；农业生产

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）16-3741-02

无线传感器网络检测一区域内事件中，通过大量布置监测对象的信息进行检测，处理。传感器节点通过一定时期内，被检测对象采集数据，然后采用UWB技术进行无线传输，通过该技术实现自动化和远程控制目的，UWB技术成本低，功耗少，数据传输速度好，安全性高，现在应用的其他无线技术主要有Zigbee，蓝牙，Wi-Fi技术，超宽带等无线网络协议，而与其他技术比较UWB显示了其极强的竞争力，收到广泛的关注和研究。

本系统通过结合嵌入式系统和无线传感器网络技术，实现温室内作物生长环境的温度，二氧化碳浓度，空气湿度，土壤湿度，光照强度等相关数据的获取和分析处理，通过UWB技术实现各种数据的传输，UWB设备在电池使用寿命山河电磁辐射有很大的优越性。最后根据不同农作物的生长需求来实现对各种环境参数的实时控制，达到现代管理，精准作业和获取最大效益化的目的。

1 UWB主要技术

1.1 UWB技术框架

UWB（Ultra wideband）无线通信是一种不用载波，采用时间间隔极短的脉冲进行通信，并且只有在需要发送的时候，才会工作，抗干扰能力强，传输速率高，发送功率小，针对大棚蔬菜对各种环境要求的不同，设置不同的传感器，主要有：二氧化碳浓度、空气湿度、，空气温度、光照强度、土壤温度、土壤湿度，这些信号经过传感器采集以后，通过模数转换发送到计算机上，无线传感器节点所采集的数据参数，以频射的方式穿透塑料薄膜或者墙体，该文不考虑频射的穿透能力，根据反馈信息设置相应的温度，湿度，光照强度，传感器节点的模型如图1所示。

1.2 UWB的拓扑结构

本文针对无线传感器网络主要是对环境中温度、湿度和光强度以及各种数据进行数据采集的UWB无线传感器网络。该网络的主要硬件结构主要由采集结点、路由节点、协调器节点和上位机终端组成，如图2所示。采集终端节点主要是用来对环境中的监测参量数据如二氧化碳浓度、空气湿度、光照强度、土壤相关参数进行数据采集，并将采集到的数据传输给汇聚结点（协调器）；路由节点承担两部分工作一方面采集数据并进行传输；另一方面对接收数据进行转发。协调器节点主要功能是接收采集结点以及路由节点的各路数据传输给上位机，同时将上位机终端的命令信息传送给各种采集结点和路由节点，主要是作为上位机和数据采集节点的耦合桥梁；上位机是用来显示采集的数据信息，并能发送指令控制数据采集节点、路由结点的工作。

2 监控系统设计

2.1节点的软件设计

一个汇聚接收器节点（协调器）、许多传感器节点、路由节点、工作站和数据库组成温室环境监控系统。采集节点和路由节点共同组成了收集信息的重要节点。在这种传感器网络中，传感器节点部署在温室，它可以采集实时数据和通过多跳方式传送数据到接收器节点（协调器）。

当传感器参数进行实时采集，如温室温度、土壤温度、露点、湿度和光照强度，这些数据将提供给A/D 转换器，通过量化和编码成为数字信号，它能通过无线传感器通信节点传送。每个无线传感器通信节点有传送和接收的能力，通信方式主要采用UWB技术。汇集器节点完成了数据分析和贮存的任务，并传输给上位机进行分析和处理。在监控室里通过运行温室管理软件，接收器节点可以定期收到来自无线传感器节点和在监视器上显示这些数据，图3是无线传感器的软件的工作示意图。

2.2节点的硬件设计

无线传感器网络的基本单位是各类节点。大量密切相关的具有相应应用要求的节点组成了硬件平台。因此，针对无线传感器网络硬件平台最重要的工作是节点设计，合理的硬件设计可以完美执行无线传感器网络的传送和监测功能，并体现UWB 的技术特点的优势。

图4显示了本系统通过无线传感器网络节点采集周围环境的温度和光照值以及二氧化碳的数值，并利用UWB技术无线的方式进行传输，且通过汇聚结点的处理能在显示屏和服务器上显示采集到的参量和相应数值，最终通过上位机来对搜集的数据进行相关分析，达到控制温室相关湿度、浓度。如果采集到的环境参数，如，温度、光照以及无线信号强度不满足系统要求时（温度过高或信号强度太差等），系统会启动蜂鸣器报警，同时显示屏上会显示相应的参量，以供用户根据不同植物生长需求进行相关的调整。

3 结论

本文将UWB技术应用在无线传感器网络并实现对农业生产中环境信息监测，实现农业生产的现代化，实现生产的自动控制。本设计成功实现了对环境温度、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、湿度及光强的监测，表明了该系统可应用于农业环境信息的监测，但是本系统在信号采集的传输距离上面还有待进一步研究。

参考文献：

[1] 李群，陈向坚，姜宇.基于ZigBee和SPI总线技术的WSN节点设计[J].传感器世界，2008，26（18）：1-9.

[2] 回楠木，乔晓军，王成.ZigBee无线农田采集控制系统的实现方案[J].农机化研究，2008，10（2）：1-10.

[3] 吴键，袁慎芳，殷悦，等.基于ZigBee技术的无线传感器网络及其应用研究 [J].测控技术，2008，19（5）：15-18.

[4] 黄金科，王兴华，向新.一种基于WI-FI的环境监控系统实现[J].传感器与微系统，2013，32（8）：95-97.

[5] 徐显荣，高清维，李中一.一种用于农业环境监测的无线传感器网络设计[J].传感器与微系统，2009，28（7）：98-100.

[6] 许东，操文元，孙茜.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J].计算机应用，2013，33（S2）17-20.

[7] 李莉，李海霞，刘卉.基于无线传感器网络的温室环境监测系统[J].农业机械学报，2009，40（增刊）.endprint