无线传感器网络在农田温湿度信息采集中的应用

孙艳红　麻晓梦

【摘 要】随着世界农业的不断发展，精准农业已成为必然的发展趋势，这在我国未来的农业可持续发展道路上的重要历程。精准农业的发展离不开农田环境信息及作物生长发育信息，而这些信息的量很大并且要有效、及时、准确才可以。本文结合笔者多年工作经验将农作物长期的生长周期内的湿度、温度等生长信息通过无线传感器网络方式进行采集，使农业管理人员及时了解农作物的生长环境，对生长环境及时做出调整，提高农作物的产量。

【关键词】农田温湿度；信息采集；无线传感器网络

无线传感器网络（第四代传感器网络），主要由微型传感器节点组成（这些传感器位于监测区域，价格低廉），通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，用于协作地感知、采集及处理网络覆盖区域中的感知对象的信息，最后发送给观察者。在确定目标监测区域中部署数量足够多的具备计算和无线通信能力的传感器节点，根据实际需求制定任务，并烧写在传感器节点中。各节点的数据采集与传输是通过某种无线通信协议组成网络来完成。

农作物必须生长在适宜的环境下，才能使农作物增产丰收。为了实现优化生长环境的目的，需要随时采集农作物生长时期内的环境信息，和所需的生长环境相对比。传统上的信息采集还是有很多不足之处的，这在一些供电设施困难地区难以实施。并且在部署完成后无法根据实际情况做到灵活转变。而这些问题利用无线传感器网络即可得到有效解决，不管是布线方面还是管理方面的实施都比传统监测技术容易，且价格低廉。数据采集点可任意分布，获取信息也不受时间、地点和环境要求，这是因为无线传感器网络拓扑结构易变化，具有自我组织能力，所以才能在监测区域内灵活分布，从而实现实时获取大量可靠信息的愿望。因此，无线传感器网络将在今后的农业发展中成为重要的发展趋势。

1 农田温湿度信息采集系统的设计

无线传感器节点、汇聚节点、现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置等组成了无线传感器网络。在监测区域内，部署下各个无线传感器网络节点，使其数据的采集都能实现，通过自组织、多跳路由和无线通信方式将所收集的数据汇集到汇聚节点（网关节点）进行数据的汇总、存储和处理，最后由无线互联网将信息传送到终端用户。

本系统的体系结构在设计时是以无线传感器网络的基本结构为基础并结合农田及环境信息需求而来。主要有以下三方面组成：

（1）传感器节点：对温湿度数据的采集，需要大量的部署传感器节点在所监测区域内来完成，通过ZigBee协议进行互连形成无线传感器网络。

（2）网络节点（网络协调器）：负责处理由每个传感器节点收集上来的数据信息。

（3）基站和终端用户。基站负责接收、汇总、处理和分析网络节点处理后的信息，最后将通过互联网传输数据给终端用户，最终实现实时监测农田环境温湿度信息。

1.1 ZigBee技术

ZigBee技术是一种短距离无线通信技术，其物理层和介质访问控制层协议一样，都为IEEE802.15.4。ZigBee联盟决定了应用框架和网络层协议。应用层开发空间较大，用户可根据实际需求对其进行开发。

ZigBee技术的自身特点决定它的较大优势在短距离无线通信领域。具有以下特点：

1.功耗低；2.延时短；3.速率低；4.距离近；5.成本低；6.容量大；7.安全性高；8.免执照频段。除了以上特点，由于ZigBee技术是以IEEE 802.15.4为基础的，加上其功耗低的特性，所以还具备高节能性的特点。

协议，要根据应用环境的实际情况来选择合适的，这是至关重要的。每种协议都可适用于不同的应用场合，其特性也各不相同，它们之间的关系是：通过不断的互补、竞争，然后取长补短，共同发展。越来越快捷方便的通信方式大大满足了人们对此的需求。而ZigBee协议是较适合农田温湿度信息采集系统中使用，这可根据农作物生长环境的特点看出。

1.2 开发平台及网络组建

（1）无线传感器网络的硬件平台

英国Jennic公司的JN5139 EK 010开发套件作为ZigBee网络组建的硬件平台。其中主要使用JN5139芯片，它是一款具备ZigBee功能的无线SoC（System on Chip，片上系统）。JN5139芯片具有高性能、低功耗、高灵敏度和ROM空间较大及通讯距离较远等特点。可用于各种ZigBee无线网络节点，包括协调器、路由器和终端设备等。

（2）无线传感器网络的软件平台

本次所设计的软件主要由MCU程序和ZigBee协议栈等组成，通过对软件的设计，ZigBee网络节点之间所有的功能都得以实现。

（3）无线传感器网络的组建

ZigBee网络中常见的拓扑结构有星型结构、树状（簇）结构和网状结构。每个ZigBee网络至少需要一个FFD设备（全功能设备，可以支持任何一种拓扑结构，作为网络协调者工作，并且可以和任何一种设备进行通信）实现网络协调的功能。终端设备可以是RFD设备（精简功能设备，只支持星型结构，不能成为任何协调者，可和网络协调者进行通信，实现简单）用来降低系统的成本。

2 系统测试与分析

2.1 正常环境条件下农田的温湿度采集

地点：玉米农田

目的：在正常环境下采集玉米田中的温湿度数据

步骤：将Mesh网络组建好布置在玉米田中，将四个传感器中的ZR1、ZR2部署在田中，ZE1、ZE2部署在农田附件道路上。通过这种部署方案来采集玉米田内部以及附近地区环境的湿度和温度。

结论：日照充分时，农作物降低其周边环境温度提高湿度，且减少温湿度上的大幅波动和剧烈变化。通过以上得出，自然因素对农田环境具有影响作用，同时，农作物也在一定程度上影响着环境。

2.2 河南小麦田环境的温湿度采集

地点：河南安阳跃进农场；

目的：采集小麦田环境中的温湿度数据；

时间：以2010年2月10日8：00—2010年2月10日20：00（12个小时）为例；

步骤：将ZR1、ZR2、ZE1、ZE2四个传感器节点分别布置在小麦田中四个位置采集数据，因当天11点后出现降雪过程，具体测试出来的温湿度结果如图1：

（a）温度数据 （b）湿度数据

图 1 小麦田的温湿度采集

结论：通过上图我们可看出，以上每个传感器节点所获取的温湿度的数据基本上变化一致。11点后，温湿度随着降雪过程的出现发生了明显变化，证明了系统的灵敏度较高。

3 结果与讨论

该系统实现了农田温湿度信息的收集，平原气候条件下的小麦田温湿度采集，测试结果符合预期。在农田环境中使用无线传感器网络实现了温湿度信息的实时采集。平原气候条件下玉米田和小麦田的温湿度采集，并且采集到的信息测试中通过串口接收到每个数据报的详细信息。系统测试期时一直处于连续工作状态，数据收发稳定，传感器节点未出现失效或数据丢失情况。另外，为了实现更多信息的测量，可增加相应的传感器，但必须要在现有系统和设备基础上。所以，对于环境监测来说，无线传感器网络无疑是最好的监测手段，不仅可以得到所监测环境的实时、详细的信息，还可人为设置测试频率，不需值守。

【参考文献】

[1]孙利民.无线传感器网络[M].清华大学出版社，2005.

[2]于海斌，曾鹏，梁瓣.智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社，2006.

[3]无线传感器网络技术讲义[M].中国科学院计算机技术研究所，2007.

[4]张瑞瑞，赵春江，陈立平，等.农田信息采集无线传感器网络节点设计[J].农业工程学报，2009，25（11）：213-218.

[责任编辑：汤静]