无线传感器网络系统在农田土壤含水率监测中的设计分析

熊展　张波

摘 要 实现农业现代化是国家四个现代化的建设任务之一。随着我国科学技术的发展与进步，微电子技术、无线网络技术的发展也日趋成熟。与此同时，以往在农田土壤含水率监测过程中应用的有线网络逐渐暴露出弊端。在此基础上，本文则研究将无线传感器网络系统运用在农业环境监测上，以现代化的科学技术来监测农田土壤中的含水率，解决传统农田含水率监测中存在的问题，促使我国农业走向现代化的发展道路。

【关键词】精细化灌溉 无线传感器网络 农田 土壤含水率监测 农业现代化

21世纪的中国正面临着水资源约束趋紧的窘迫局面，干旱问题时时侵扰着我国农业的发展，如何实现农田精细化的灌溉，不仅是大幅度减少农业用水量、缓解我国水资源紧张的重要手段，更是解决农业干旱问题，实现农业有效性灌溉的关键举措。无线传感器相较于有线传感器在农田土壤含水率监测中的应用不仅成本较低而且更加实时高效，成为现代农业研究的重要议题，并有待于进一步的发展和完善。

1 研究背景

我国是全球人均水资源匮乏的国家之一，虽我国的总体水资源储藏量较大，如长江、黄河的水量都较大，夏季降水量较多等，但由于我国的人口基数大、农业种植面积大但生产技术较为落后等其他原因，致使我国的人均水资源量较少。如何提高农业灌溉的有效性、大幅度的减少农业用水，是提高我国人均水资源量，缓解我国水资源压力的重要举措。而在此国情下，我国大部分的农村在进行农业灌溉时都采取人工式的灌溉方法，单纯的依靠以往的灌溉经验，利用水管的进行大幅度、大面积灌溉，不仅在一方面造成了水资源的大量浪费，而且在另一方面农业的灌溉效用也较低，土壤并没有及时吸收下那么大的水量，当然也就没有真正解决土地的干旱问题。近年来，随着我国科学技术的发展变化以及其在农业生产中的应用，我国的农业现代化发展逐渐走向了轨道，并为智能化、科学化、规模化、集约化农业生产模式的产生和推广提供了必要条件和重要前提。

无线传感器网络是随着科学技术的发展进步而出现的新型技术，是集数据采集及分析处理于一体的全新技术，具有低成本、低能耗、及时、高效、可靠的特点。其是由一定监测区域的多个微型传感器节点组成，并构成一个完整的无线网络通讯系统，并最终把数据处理结果发送到用户终端服务器上，作为用户决策的依据。将该技术应用到农田土壤含水率的监测工作中，在不影响农田耕作的前提下，在农田土壤中布置多个无线传感器节点，连续、实时、高效的监测土壤中的含水率，以便用户可以准确知道农田含水率，并以此为依据判断该农田的灌溉量，进行及时、有效的灌溉，这样既节约了农田灌溉用水量，又有利于农田灌溉水资源的充分利用，提高农田水资源的管概率，促进现代农业的可持续发展。

2 关键技术分析

在农业的灌溉技术中，要想在节约用水的前提下，实现农业灌溉水资源利用的高效性，就必须实时、精确的掌握农田土壤的含水率，对不同的农业用地加以区别对待，不同程度含水率的土壤采用不同的灌溉方式和不同的灌溉水量。因此，若想把无线传感器网络技术精准的应用到农田土壤含水率的监测中，就必须确保数据信息传播的及时准确性，这也就决定了无线传感器网络技术，也即WSN技术是整个系统设计中的关键性技术。

WSN技术是一种新型的数据分析及处理技术，是无线通信、传感器和信息处理三大技术的的融合体。该项技术具有低成本、低能耗的特点，其虽以普通传感器为技术基点，却是集信息采集、数据分析处理、网络化应用为一身的综合体，解决了传统农田土壤含水率监测技术中布线困难、成本高、连续性及实时性较差的缺点。该项技术在农田土壤含水率监测技术的应用中，不仅大大减少了实际工作量和人工测量误差，更是农业智能化的发展方向，在有效农业灌溉的基础之上，提高了水资源的利用率。

3 总体方案设计

3.1 无线传感器网络的系统设计

本文所研究的无线传感器网络是基于Zigbee技术的基础之上的，该系统主要是由水分感知节点、网关节点和计算机控制管理中心三部分构成的。水分感知节点主要是用来搜集土壤水分数据的，并通过多条线路利用无线网络发送到网关节点上，网关节点则把不同线路发送过来的土壤水分数据汇集起来并暂时保存，最终将这些数据输送到计算机控制中心，再由计算机控制管理中心对传输过来的信息加以分析处理，以供用户使用。

在本文所述的农田土壤含水率的监测中，该适用的无线传感器网络主要是基于Zigbee技术协议的短程通信传输系统，主要是通过水分感知节点来进行某一监测区域的农田土壤含水率的实时数据采集，并通过无线网络通信传输给网关节点，再最终传输到计算机控制管理中心，这样用户就可以实时了解农田的含水状态。

3.2 无线传感器网络硬件设计

3.2.1 节点硬件设计

无线传感器的网络节点主要是用来进行信息的采集及传输，在本文所研究的农田土壤水分含水率的监测中，无线传感器的网络节点的设计和选择主要考虑了低能耗、低成本、稳定精确性等特点，以确保其在实际操作中的切实可行性。基于此，在该农田信息监测过程中，其网络节点采用模块化的设计方式，主要分为传感器模块、信息通信模块和电源。电源主要是用来打开无线传感器的网络节点，进行正常的工作，传感器模块主要是用来搜集土壤的水分数据，信息通信模块则主要是用来进行数据信息的无线网络传输，并将其最终传输到计算机控制管理中心。

3.2.2 无线通信模块选择

在农田土壤的含水率监测系统设计中，在选择无线通信模块时，最重要的是要保证节点工作的稳定性，因此要选择低能耗的；在农业的环境下，要切实保障农业的正常耕作不会受到影响，因此要选择小巧的；在数据信息的传输中要保证数据的真实有效性，因此在进行无线通信的芯片选择时，要选择那些信号好、发射功率高的；为保证无线传感网络在农业土壤含水率运用中的可推广性，要保证该模块的低成本性。综合考虑以上几点，基于Zigbee技术协议的无线通信则是最佳选择，其不仅应用范围极为广泛，且其芯片集成度较高，可靠性高，并具有低能耗的特点。

3.2.3 传感器的选型

在进行传感器的选型时，在以实现广泛推广的目的前提下，要综合考虑到传感器的价格、能耗等因素。在该系统中，水分传感器是用于信息搜集的，其所搜集信息数据的准确性将直接决定了整个系统运用分析的真实可靠性，是该技术在农田土壤含水率监测中具有实用性的第一步。因此，在选择传感器时，要充分考虑到农田的环境，使得选择的传感器不会受到土壤的腐蚀；要充分考虑到农田所在的地区，选择那些受土质影响较小的传感器；要充分考虑到其对土壤含水率的分辨率，确保传感器感知土壤含水率的准确性。

3.3 无线传感器网络的软件设计

（1）在该无线传感器网络的软件设计方面，各节点的软件设计主要是采用TinyOS 1.1的嵌入式操作系统。在该系统的操作过程中，运用NesC 语言根据各节点的不同特点及其本身的功能和作用编程了各自不同的执行程序，一个执行模块由1个TinyOS 程序和多个组件构成。

（2）建立新网络。该新建网络的工程主要是由Zigbee来实现的，并借助具有Zigbee协调能力的设备来促使自身形成一个新的网络节点。该网络节点做为整个无线传感器网络的协调器，整个系统的网络管理和配置都是由其完成的，如为子设备分配网络地址、进行传感器节点通信以及接收其他节点输送的数据信息等。

4 结语

在我国的农业大环境下，无线传感器网络在农田土壤含水率的监测中的应用尚还处于起步阶段，与国外发达国家相比，技术比较落后，再加上我国的农业现代化发展本就起步较晚，且我国农业的生产经营多为分散式的农村散户经营，因此在农业科技的应用程度上远不如西方发达国家的农场式规模化经营，这也就决定了无线传感器网络在农业信息检测中的应用有待于进一步的研究开发。在此过程中，一定要与我国农业生产经营的实际情况相结合，充分考虑其其在农田信息监测中的实用性。

参考文献

[1]蔡义华，刘刚，李莉，刘卉.基于无线传感器网络的农田信息采集节点设计与试验.[J].农业工程学报，2009，25（04）.

[2]高峰，俞力，张文安等.基于作物水分胁迫声发射技术的无线传感器网络精量灌溉系统的初步研究[J].农业工程学报，2008，24（01）.

作者简介

熊展（1994-）女， 江西省宜春市人。现在湖南师范大学大学本科在读。研究方向为传感器、网络、通信。

张波（1982-）男， 湖北省武汉市武昌区人。硕士学位。现为武汉信息传播职业技术学院信息工程系讲师。研究方向为 网络、通信。

作者单位

1.湖南师范大学大学 湖南省长沙市 410000

2.武汉信息传播职业技术学院信息工程系 湖北省武汉市 430000