无线传感器网络在农业中的应用

甘露，熊文珍（信阳职业技术学院，河南信阳　464000）



无线传感器网络在农业中的应用

甘露，熊文珍
（信阳职业技术学院，河南信阳464000）

摘要：无线传感器在我国的农业领域有着广泛的应用，文章首先对无线传感器的硬件和软件设计进行了研究，给出了设计方案和设计思路，最后对当前无线传感器网络在农用应用中存在的突出问题进行了分析，对未来的发展方向进行了展望，对该领域的研究具有一定的参考价值。

关键词：无线传感器网络；系统设计；农业；应用

我国是农业大国，农业在我国的国民经济中占有重要的地位，传统的设施农业环境监控系统主要采用有线通信技术构建，虽然系统的时效性好、抗干扰能力强、性能稳定，但也存在扩展不灵活、部署不方便、运营和维护成本高等缺点，在这种情况下，无线传感器由于能耗小、安装弹性大、可扩展性强等优点，在现代农业中得到了广泛和快速的应用。

1　无线传感器网络的硬件系统设计

（1）总体设计及工作流程。针对不同的设施农业，无线传感器的硬件设计方案会有所不同，但是其本质都是以传感器为核心，以网络为基础，以用户为导向的设计布局，通用的基于无线传感器网络的设施农业环境监控系统。

其典型工作方式为：在预定的监测区域内随机布设大量传感器节点，传感器节点采集的信息可自动发送至网关，也可通过其他的传感器转发至网关，网关接收到数据后通过无线通信的方式（移动网络、卫星数据网络、广域网等）将传感数据传送给用户所在的任务管理节点，任务管理节点通过上位机管理软件对数据进行处理和分析，形成控制决策和控制指令，并通过网关将决策和指令发送给监测区域的执行机构，实现对设施环境的精确控制。

（2）无线传感器节点的硬件设计。传感器节点设计的目标就是通过最小化的电子系统设计，提供微控制器在不同晶振节点下的工作模式，并可进行自动切换，通过射频天线实现通信功能，通过动态电源管理模块实现功耗的动态控制，典型的硬件设计的示意图如图1所示。

在图1节点的硬件设计中，AD转换电路是不同形式数据交换的数据接口，USART接口通过异步串行的方式来接收数字输出量，I2C接口是温湿度和光照度传感器的通信端口，射频模块由一个甚高频的带通滤波器和全向天线组成，复位电路主要用于重启节点。

图1　无线传感器节点的硬件设计示意图

（3）网关的设计。无线传感器网络通常在农业现场，传感器采集的信息必须通过网关传送至用户，而用户为了处理信息的方便，一般将后台的任务管理节点设置在距离传感器网络比较远的地方，这时就需要一个网关来构件远距离的信息传输通道。在网关的设计中，采用RS232串口通信协议传输时，信号的衰减较大，如果通过无线中继的方式传输成本较高，而且故障率居高不下，所以，可采用无线传感器网络和以太网通信的网关，具体的硬件设计示意图如图2所示。无线传感器网络的网关除了作为无线传感器网络的协调器，对无线传感器节点进行管理，发送指令和传输数据外，还作为无线传感器网络和数据传输通道的中转站。协调器采用CC2430芯片，传输模块采用LPC1114，网口芯片采用ENC28J60。

图2　网关设计示意图

在硬件的设计中，无线传感器网络还要选择移动的终端和控制机构，并架设无线网桥，对射频模块的通信性能进行测试和调整，文章不再进行赘述。

2　无线传感器网络的软件系统设计

（1）软件系统总体框架。在无线传感器的硬件设计方案确定后，需要对其软件系统进行匹配，传感器信号的采集、通信数据的传输和处理、各模块之间的信息交换等都需要进行规范和约定。基于网路通信的构建基础，软件系统的构成一般也由四部分组成，典型的系统软件分为即物理层、网络/传输层、数据层和应用层。

（2）无线传感器网络协议。目前通用的无线通信网络的协议是国际电联在2003年12月提出的802.15.4局域网/城域网无线通信协议，该协议具有成本低、功耗小、数据流量少等优点。在该标准的基础上发展起来的ZigBee技术与802协议在网络层和物理层相互兼容，目前在无线传感器网络中是主流的协议。

（3）系统软件各层次的实现。物理层是软件设计的最底层协议，所实现的主要功能是对射频模块的功率、接口芯片的初始化，对传感器的信息采集过程进行规范和约定，对传感器电源进行动态管理。我国目前采用2.4GHz作为ZigBee技术的频段，这是国际电联指定的免费通信频段。802.15.4协议中将该频段区分为16个信道，信道间隔为5MHz。物理层数据帧包括数据包包头同步、物理层包头和物理层数据内容三部分。网络和传输层主要是约定通信网络的各项功能协议，建立通信路由选择的标准和规范。该层的数据包格式主要由帧头、载荷和帧尾组成，其中载荷域可以根据需要进行不同的长度设计，传输层具有安全校验机制，通过卷积运算等算法对载荷进行校验和纠正。数据层主要对数据库进行分类和录入，对数据流和指令流进行传输。应用层则主要进行人机交互的开发和实现。ZigBee应用层中包含应用支持子层、ZigBee设备对象和生产厂商定义的设备对象。

3　无线传感器网络在农业中应用存在的问题

（1）感知网络的功能性问题。目前各类基于无线传感器网络的农业环境监控系统，其传感器种类主要集中在空气温度和湿度、土壤温度和湿度、土壤电导率、光照度等，这些传感器感知到的只是农作物部分的生产环境信息，并不是所有的环境信息，所以对传感器网络的感知范围要进一步拓展，对网络的数据融合、后台管理系统等需要进一步完善。

（2）传感器的即插即用问题。随着农业环境监控系统的智能化程度不断提高，对传感器的种类和功能要求也越来越高，但是由于目前的传感器种类繁多，各类设备的硬件和软件也不能完全兼容，所以传感器网络的构建弹性还不够大，构建还不够方便快捷，还不能实现无线传感器的热插拔，即即插即用，需要在以后的研究和应用中进行进一步的完善。

（3）无线传感器网络与广域网的互连问题。无线传感器网络与广域网的互联也是当前面临的主要问题，虽然目前的软硬件设计基本解决了这个问题，但是一般局限于小规模组网或者是局域网的组网，传感器网络与广域网的传输过程不够透明，没有统一规范的通信协议，虽然通过网关可以进行数据的转换和交流，但是在大规模组网的时候，就会出现效率低下、造价和成本高、故障较多等问题，在以后的研究中需要重点关注无线路由器网络和广域网在物理层和协议层的链接问题。

（4）上位机软件的功能性问题。如上文提到的，目前的上位机软件虽然基本满足对网络内数据的分析和处理要求，实现辅助决策，但存在着数据分析和数据挖掘能力弱、数据的共享机制还不够成熟、对数据的开发和应用不充分的问题。另外软件的人机交互界面还不够优化、数据的显示和处理还不够直观便捷、数据的监测过程还不够透明，这些问题也是下一步的研究方向。

（5）传感器节点的功耗问题。局限于芯片和集成电路技术问题，目前传感器的功耗居高不下，对无线传感器的布设来说，因为成本所限，一般采用离线供电的方式进行，这就要求传感器能够具有尽可能低的功耗和尽可能小的体积，以便于降低维护和管理的成本，所以在以后的研究中应注意低功耗、小体积、长寿命传感器的研制和应用，同时具有自主充电功能（比如生物充电、太阳能、风能充电等）的传感器也是研究的方向之一。

4　结语

无线传感器以其自身的显著优点，被广泛应用于农业领域，在动植物生理生态监测、大田环境监测、设施农业环境监测、温室环境中发挥了重要的作用，随着国务院“国家传感信息中心”的设立，无线传感器在我国农业中必将发挥更大的作用。

Application of Wireless Sensor Network in Agriculture

GAN Lou，XIONG Wen-zhen
（Xinyang Vocational and Technical College，Xinyang，Henan 464000，China）

Abstract:Wireless sensoris widely used in the fieldof agriculture.This paper first studies the design of hardware and software of wireless sensor，then puts forward the design scheme and design ideas.Finally，this paper analyzes the problems existing in the agricultural application of wireless sensor network，and provides reference for the future direction development prospects.

Key words:wireless sensor network；System design；Agriculture；application

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）05-0110-02

收稿日期：2016-04-19

作者简介：甘露（1981-），女，河南信阳人，硕士，讲师，主要研究方向：计算机多媒体技术、网络技术。