无线传感器在农业物联网中的应用研究

戴振华



无线传感器在农业物联网中的应用研究

戴振华

(湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199)

智能控制系统在工业生产中被广泛应用，但是农业生产中应用较少，无线传感器应用到农业物联网平台中就更少了。项目设计了一个系统，该系统通过对大棚内的温度、湿度和光照进行实时分析检测，通过 CFD 数值模拟的方式，通过网络将数据传送到控制中心，从而实现温度、湿度和光照自动调节，实现农业生产过程的可视化动态控制，为现代化农业管理改革提供一定的参考。

无线传感器网络；农业；信息化

0　引　言

无线传感器在农业物联网中的应用具体来讲就是在农业生产、管理、经营和服务中应用到了物联网技术，是用多种传感器设备采集生产过程、动植物本体以及农产品物流等等相关信息，利用传感器网络进行数据传输，对获取的农业信息进行分析处理，然后依据分析结果实现智能化操作管理，从而实现了农业生产的全过程监控、实时信息服务和科学合理决策。

光照、温度和湿度等条件都影响农作物的生长。一般来讲，农业生产流通个环节中，这些数据采集任务很重，而每次都现场采集数据不利于提高农业生产效率，利用网络很好地解决了该问题，它可以实现数据的实时传输，从而实时了解农业生产环境。不过，如果将农业现场中的各种数据通过有线网络来进行传输，重要的一点是不便于耕作，实现成本也较高，另一方面维护起来也比较困难。

近年来，农业行业与信息化的深度融合，农业生产智能化取得了重要进展，而且体现了我国现代农业发展的必然趋势。而应用成本低、网络结构灵活的无线传感器网络由于数据传输距离远等特点已经在很多工业生产过程得到了应用。但是，将它应用于农业中尚不多见。文章给出基于GPRS 技术和无线传感器网络(WSN) 的远程农业生产过程监测系统。

1　无线传感器农业物联网平台体系结构

项目中运用的无线传感器农业物联网网络是由若干个节点传感器和一个起协调作用的设备组成，节点传感器是可以用来采集农业生产区域的湿度、光和温度数据传感器。节点传感器上的传感器根据采集命令进行农业生产要素数据采集，设备采集到的农业要素数据后，对农业要素数据进行打包，然后将农业要素发给中心设备协调器。协调器解包农业要素数据包，形成多个简化功能设备原始数据，为了数据的有效传输，通常对数据进行融合。在该平台中，GPRS与协调器通过串口线直接将数据传给GPRS定位通信模块，GPRS定位功能模块首先对传输过来的数据进行融合，然后对融合处理过的数据进行再处理，形成能适应于GPRS 网络传输要求的格式，然后进行传输，通过有效的GPRS网络连接互联网，从而实现农业生产过程远程的PC终端上实时监测。这样，通过无线传感器网络技术和GPRS技术的结合形成的农业物联网平台，既体现了无线传感器网络方便廉价传感器节点部署的特点，又有效利用了GPRS网络技术的特点，使无线传感器网络传输数据的范围得到了扩展，这样一来，农业物联网平台农业要素很好地进行了传输和处理[1]。总体上说，系统平台运行总体方案可以用结构图1所示。

图1.无线传感器农业物联网平台运行总体方案

2　基于无线传感器农业物联网平台设计

文章是根据农业生产现场生产过程的实际要求，提出了一种无线传感器农业物联网平台，该平台是基于 ZigBee 技术，能够对农业生产过程中各环境参数监测并自动化管理的系统设计，该系统综合运用了无线传感器网络技术，物联网技术，长距离数据传输技术等等，对于在工业应用中产生的功耗成本、通信距离短以及系统稳定性较差等诸多问题，很好地得到了解决。

2.1农业物联网平台的设计需求

文章主要任务就是设计出一种应用于农业生产过程中各种环境监测的无线传感器网络ZigBee。根据农业生产过程中所需的要素的实际，我们在构建该类农业生产要素传感器平台时，主要是基于如下设计要点[2]：

（1）网络平台传感器节点体积精细化的要求

实际系统中，我们所设计的ZigBee节点必须满足体积较小的特点，以便于在复杂的农业生产现场大量布置，这样不仅可以更全面的获取信息，而且对网络的重组和移动显得更加方便。

（2）光照、温度、湿度等农业生产要素测量要求

根据农业产业要素信息化系统的要求，我们设计的项目应能实时准确地获取到农业要素如：光照、温度、湿度等信息，只有实时获得了这些农业信息，农业生产者才能根据农作物生长的光照、温度、湿度等环境参数采取必要的措施。

（3）稳定性对于农业物联网平台来讲也显得相当重要

一般来说，我们设计节点时，考虑到比较复杂农业生产的环境时，都会对节点的稳定性提出必然的要求。为了保证各个硬件组成部分能在复杂农业生产环境能正常工作，我们设计节点时充分考虑了这一点，系统完成后，我们还特意测试了复杂的环境农业生产过程中要素的采集处理。

（4）扩展网络平台节点要求

在我们开发的应用系统中，当该设备系统中需要连接新的平台节点时，我们设计的理念是不能对系统作大的改动，因此，对于节点而言，统一、完整的外部接口设计就是我们可行的选择，这样做了之后，我们在原来的节点上添加新节点显得相当方便，这样一来，我们在新的节点设计上就不再需要花太多时间。

（5）农业物联网平台应有低成本要求

农业是一个薄弱环节，如果在农业生产环节中产生了大量的成本，那将使得项目很难推动，因此，我们对于项目的设计考虑是应用在农业生产上，农业区域面积较广，节点是随机大量的布置在广大区域中，这样一来，大量的节点分布使得每个节点的制作成本显得格外重要，节点的性价比对每个节点部件来说都有较高的要求。

（6）低功耗节点的农业物联网平台

农业现场一般是无线方式布置的节点，这样就使得传感器节点由电池供电，电池的使用是有寿命的，这就使得我们在设计该项目时，更多会考虑传输网络和信息采集过程中产生更低的功耗，从而使节点能更长时间的工作，避免频繁更换电池。

2.2无线传感器农业物联网系统的总体设计方案

结合 ZigBee 网络技术，根据农业环境要素监测处理设计要求，本项目系统采用树形网络拓扑模型结构，总体上由路由器节点、传感器节点、总控计算机机和协调器四部分组成。在该系统平台中，协调器用于整个农业无线传感器网络中心节点，有了该中心节点，每次产生一个新网络，而且对网络的各个连接进行管理，对入网申请进行必要的处理。在平台中，USB 总线负责提供协调器节点能量，同时USB 接口负责将数据送到系统参数监控中心[3]。

在整个网络中，路由器节点相当重要，它不仅要管理网络连接，担任协调器的角色，同时，它还作为农业信息化平台的一个中继节点，负责寻找一条最佳数据传输路径，将每个通过它的数据帧其送至最终的平台上。由于通信距离的限制，使用中继节点，使得传送距离在 80米以内的ZigBee协议，传输的距离得到极大拓展。在设计该平台时，属于全功能设备的路由器节点，我们充分考虑其重要性，能量的供给相当重要，所以由专用电源供电。

在总体设计中，我们考虑设计直接采集农业要素传感器节点时，由于采集光照、温度、湿度等信息要素时间性要求，为了节约能量，在系统不需采集数据时，采取节能技术让节点进入不工作状态，当系统工作时，由定时器唤醒这些节点让其重新恢复工作状态，因此，传感器节点用两节干电池能量供给。

在设计中，我们设计的上位 PC 机位于监控中心，通过系统平台的串口调试工具，我们可以方便地进行显示来自协调器上传的数据信息，而且能够实时显示包括传感器节点的通信端口号、16 位网络地址、连接状态、64位信MAC 物理地址以及光照、温度、湿度等传感器节点的当前工作状态，供农业生产者决策使用。

3　信息化农业物联网平台的硬件节点设计与实现

可以这么说，无线传感器网络的基本组成部分是无线传感器ZigBee节点，因此，如何选择节点元器件，是否考虑了节能，以及如何定位，相应的模块电路如何设计，都是硬件节点设计与实现需要考虑的问题。

无线传感器网络ZigBee的硬件设备设计中，我们主要设计的节点都是嵌入式硬件节点，有路由节点、传感器节点、协调器模块节点，主要由电源供电模块、处理器处理模块、无线参数数据通信模块以及必要的系统调试模块组成。此外传感器节点还必须具备用于采集光照、温度、湿度信息的一个模块；还要具备一个USB接口的协调器节点，以便于与计算机实现数据通信。平台的传感器模块主要用于采集农业现场中的光照、温度、湿度信息，并对这些数据进行转换，最后将数据通过无线网络传输到计算机中心，从而实现实时监测。在处理器负责控制模块中，主要布置了进行路由控制的路由协议模块、进行定位控制的同步定位模块、进行能量控制的功耗模块以及进行任务控制的任务管理模块等。在硬件设计中，通常负责与其它节点进行无线通信的无线通信模块负责发送采集得到的数据。除此之外，文章还设计两种调试接口，其中，DC引脚和DD引脚组成Debug接口。DD引脚完成主设备与从设备之间的双向数据传输。SPI接口主要由4个引脚组成。这四个脚分别实施不同的功能，其中四个脚中的MISO脚为主输入/从输出信号接口，四个脚中SCLK脚为时钟信号接口，四个脚中MOSI脚为主输出/从输入信号接口，四个脚中/SS脚为使能信号接口。GND、DD、DC、Reset_N是在下载程序或调试过程中，必然进行连接的电源信号和引脚。其中，SPI 的4个引脚可以不接。可以是单独供电能量提供模式，也可以由仿真器提供。

4　无线传感器农业物联网平台节点软件设计与实现

完成好节点的硬件设计后，接下来的工作就应该是进行节点的软件设计与实现，仅仅是硬件还不能够实现数据采集、农业信息网以及数据的收发等工作，必须编写程序来实现。在硬件设计的完成基础上，使用编程语言开发程序，可以保证正确完善的运行，同样也是提高系统关键性能所在。

在开发系统过程中，经过反复论证，由于C语言具有底层开发和良好的移植性特点，最终，我们选用C语言作为编程开发语言。不仅如此，我们还选择移植了TI公司的开发的 Z-Stack 协议栈，这主要是基于简单通用性的考虑，该协议栈支持CC2430系统片上问题解决方案，从而使我们在开发系统时大大降低了开发的难度[4]。

在软件开发中，我们所用到的Z-Stack 是装载在一个基于IAR开发运行环境中。IARsystem 公司开发的IAR Embedded Workbench是一个可以支持超过35种诸如8位/16位的强集成开发环境。

文章设计的光照、温度、湿度无线传感网络主要有：传感器节点、协调器节点和路由器节点三种设备。其中，路由器节点在自己的子网中充当协调器的角色和路由功能，即为通过它的数据参数值找到一条最合适的路径。在项目设计中，我们考虑数据传输时，只需设计传输数据到协议栈，由Z-Stack协议栈提供路由协议，并且负责找寻路径，并将接收的数据送到最终点。因此协调器节点和传感器节点的程序设计是我们设计的最主要任务。

5　结束语

本文给出了开发农业物联网智能网络中涉及的一些基本知识点。项目建立了智能无线传感器农业物联网网络结构模型，并对农业信息化现场的光照、温度、湿度参数进行了检测。最后，本项目运行后，通过将模型计算数值与实际测量的数值相比较，其中最小误差为0.003m/s，最大误差仅为0.017m/s，从而说明了开发系统的稳定性和可靠性，这样就为农业现代化、信息化管理的更进一步研究提供一定的参考，从而为建立实时、高效、准确的农业信息化自动化系统发挥作用。

[1]彭力.物联网技术概论[M].北京:北京航天航空大学出版社,2011.

[2]陈一飞,杜尚丰.对农业大系统控制若干问题的思考[J].农业工程(创刊号),2011,(1):1-5.

[3]张强,孙雨耕,等.无线传感器网络在智能电网中的应用[J].中国电力,2010,43(6):31-36.

[4]李海建,王民,王怀德等.无线传感器网络在农田信息采集中的应用[J].农机化研究,2008,(3):187-189.

（责任编校：宫彦军）

2015－12－26

2014年永州市本级科技创新项目(永财企指[2014]33号)；2015年永州市本级科技创新项目(永财企指[2015]25号)。

戴振华（1981－），男，湖南衡阳人，中南大学计算机应用技术研究生，湖南科技学院讲师，研究方向为嵌入式及网络应用。

TP399

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1673-2219（2016）05-0025-03