智慧农业与无线传感器应用分析

刘雪霞

（临汾职业技术学院 山西省临汾市 041000）

现阶段，在农田与森林等规模生产之中，怎么监督控制农业生产环境空气温度和光缆、土壤温度和降雨量等信息，是农业生产质量保证亟需处理的一大问题，借助无线传感器网络，实时监督控制和收集农业生产数据，是现下农业物联网行业探索的关键课题，把物联网技术在农业生产中运用，不仅可以转变传统农业经营管理方法，还可以提升农作物病虫害监控能力，保证农产品质量。下面就针对智慧农业中无线传感器的运用展开分析论述。

1 智慧农业中无线传感器的作用

1.1 提供数据平台服务

数据平台服务就是借助传感器与大数据技术、无线通信技术与物联网技术等展开数据采集和分析，经过可视化展示，对农作物生长状况展开及时追踪与病害监督检测，预测农作物产量等。智慧农业数据平台服务运用关键是采用无人机航拍、卫星遥感与传感器收集的方式进行数据采集，收集到的数据涵盖了土地土壤与农作物产量数据、天气与病虫害数据等。接着经过对采集的数据加以分析和处理，同时构建可视化模型，达到种植适合区规划与作物生产预测等作物有效管理的目的。现阶段中国注重无人机航拍采集数据的公司少之又少，而比较多的是卫星遥感技术。

1.2 农机自动驾驶

所谓农机自动驾驶，主要是指经过卫星导航达到农机围绕直线作业的功能，关键使用角度传感器得到农机偏移数据、导航卫星定位追踪车辆数据以及摄像头采集作物生长的数据，把这几个数据通过无线网络传递至控制端，分析数据，且使用车载计算机显示器及时重现实时工作状况与进度。农机自动驾驶中，农机车辆导航系统是其运用的基础，车联网是农机自动驾驶技术实现的前提条件，经过农机车辆导航系统可以进行农机监控与决策等操作。现如今农机车辆导航系统关键运用在小麦机与拖拉机等农业机械中。

2 智慧农业中常用的无线传感器

2.1 在农业种植中的传感器应用

当前智慧农业的主要形式是温室大棚种植，使用的无线传感器主要有以下几种：其一是温湿度传感器。这种传感器是当前智慧农业中使用最为广泛的一种传感器，通常是使用在温室大棚、土壤与露天环境等过程中的温度湿度监测中。空气湿度传感器，主要是对农作物生产环境中空气湿度温度进行检测，一般是安装在大棚或是畜舍中空气比较流通的遮阳处。土壤温度和湿度传感器则是装置在农作物的根部土壤中，安装时要依据作物的根系深度确定传感器的埋入深度。每个大棚一般是安装2 到4 个传感器，用其来对作物生长中土壤温度、水分等情况进行检测，从而便于浇灌工作的开展；其二是气体传感器，目前使用比较多的主要是二氧化碳，这种传感器一样适合使用在大棚种植中。因为温室是一个比较封闭的环境，二氧化碳浓度和外界相比有很大的差异。温室中二氧化碳含量对作物的生长有一定的影响，二氧化碳太多或是太少，都会对作物形成很大的影响。除此之外，在农作物的生产和种植中，还可以把传感器安装在农机具中，经过系统数据采集，检测机具各种参数，从而优化农机产品某几项参数，获得较高的满意度。比如在收割机上安装物位传感器，来控制农作物收割时的离地高度，为后序生产提供良好工作环境；再如，可以把磁传感器安装在联合收割机上，来捡出混进谷物中的金属杂质。

2.2 农产品加工检测中的传感器应用

智慧农业还体现在农产品的加工检测中对各种传感器的使用。普通的农产品都要做分类加工。比如按直径大小对水果、蔬菜分选，需要用到差分变压器式直径分选装置；在去除青果时，需要用到像眼睛功能的传感器，从普通光电传感器，再到复杂的图像传感器，都可以识别农产品中的杂质或是不是成熟体，然后反馈给系统做筛选。还有高精度图像传感器，可以对农产品表面的损伤和颜色进行识别，在此基础上做好分类处理。比如油茶果选机，其就是使用了高清图像传感器，对油茶果果壳和籽进行图像采集，从而完成油茶果的色选与分类。在农业检测中，最近几年使用了电子鼻检测技术，使用气敏传感器识别气味，以此实现对气味的持续监测。电子鼻子是由传感器阵列和识别系统构成，传感器阵列上有很多气敏传感器，每个传感器都能够识别不同气味。经过这种传感器的使用，能检测出农产品中残留的农药，还有不同水果的成熟度等。

3 智慧农业中应用无线传感器网络的具体案例分析

使用在智慧农业中的无线传感器比较多，而不同的网络组合方式也比较多，下面主要是以ZigBee 为例子，阐述ZigBee 无线传感器网络在智慧农业中的组网方式。

3.1 ZigBee组网技术

ZigBee 是介于无线标识与蓝牙两者之间的一种无线通信技术，其特点表现为成本低、功能消耗低、距离近以及容易运用等，其使用直接序列扩频技术，将2.4GHz 作为核心频段，在上千微小传感器相互间彼此协调通信，经过无线电波采取接力的形式传播数据。IEEE802.15.4 界定了以下设备：路由器与协调器、终端节点，这几种硬件结构一样，经过软件匹配差异化的设备功能，1 个ZigBee 网络是以1 个协调器与多个终端节点构成，可以支持65535 个节点。终端节点接着多种传感器，把收集的数据无线传输到协调器，于空旷的地带该传输距离为百米左右。倘使要增加网络覆盖范围，需要在网络中添加路由器从而达到信号中继转发，根据不一样的应用环境，其支持多种网络拓扑结构，而此次选择采用星型网络拓扑结构。

3.1.1 整体设计方案分析

ZigBee 无线传感器网络运用在智慧农业中的系统是以无线监测网络以及控制中心构成的，很多分布在监测地区的无线传感器网络终端节点承担监测温湿度等农业信息，同时通过无线传输到网络协调器，协调器把接到的数据以网关经过以太网传递到控制中心，而控制中心储存与分析、处理数据以后，需要以专家决策系统进行反馈，借此建立出信息可控的收集、传输、处理、决策等程序的应用系统。

3.1.2 系统硬件电路

首先，无线通信模块。现如今，比较常看到的ZigBee 无线通信处理方案就是ZigBee 芯片加MCU 处理方案以及单芯片处理方案。为了进一步将电路简化，设计过程中选取后一种方案，CC2530 是以某企业推行的二代ZigBee 无线射频芯片，其工作电压范畴是2 到3V 左右，其集成了业界领先的RF 收发器与加强单周期8051 内核，支持系统进行在线编辑，传感器可以经过单总线和CC2530 的I/O 相接。

其次，网关。网关的设计是为了达到以太网与无线传感器网络相互间协议与路由等功能，承担把协调器采集的数据通过以太网传递至控制中心，并且还用来把控制中心指令传递至终端阶段，工作较为复杂，接口电路复杂，同时要有健全的网络协议栈加以支持，所以，在硬件选型中使用32 位微处理器为主要开发平台，设计过程中采用核心板+底板硬件构成方案，充分满足各种需求应用，仅需要添加功能底板中的接口电路。

最后是传感器模块的设计，其中有温度传感器，温度传感器可以使用比较先进的模块，要能够实现只需要一条I/O 线就可以和微处理进行双向通信。这种传感器可以直接用数字输出的方式输出检测的温度，测量温度范围通常是-55℃到125℃。在实践操作中，这种芯片不需要任何外围元件，能够用数据线直接供应电能，供电电压范围是+3.0V 到+5.5V。此芯片还有很高的转换速率，能够进行上下限的报警。还有则是光敏电阻器，在ZigBee 系统中使用的是硫化镉光敏电阻器，其对光照敏感性和人眼对可见光的反应程度比较接近，可以有效使用在温室光照变化的监测中。

3.1.3 系统软件的设计

设计系统软件一般涵盖了网关软件与上位机界面、还有ZigBee 节点软件这几个部分，在这之中，网关软件通常是依据AT91ARM9200 微处理器的ARM-Linux 软件研制平台的构建与数据串口收发设计。

首先，ZigBee 节点软件主要是采用IAR 集成开发环境于ZStack-CC2530-2.3.0.1.4.0 协议栈进行的。该协议栈乃ZigBee 网络协议集合，是以函数的方式表现的，同时提供给用户应用层应用程序编程接口，仅仅需要在应用层函数里面添加传感器进行函数读取就能够达到数据无线收发。协调器乃ZigBee 网络的点，承担网络构建和维护，上电初始化以后，协调器选取1 个信道构建且侦听网络。如若终端节点设备申请网络加入，协调器会给这一终端节点设备配置16 位的网络地址，同时允许其网络加入，组网完成，协调器接收来源于终端节点的数据，同时经过接口传输到网关。终端节点承担把传感器收集的数据，通过无线方法传输到协调器，当上电初始化以后，终端节点扫描信道，同时挑选1 个网络加入，入网以后，处于休眠状态，通过定时器根据时间间隔把其唤醒传递数据至协调器。其次，上位机软件需要使用Visual C++6 进行开发，用来表示农作物生产环境监测数据，如若监测的环境数据超过了预先设定的值，那么需要开启对应的设备调整环境参数。

3.2 实践运用操作

将ZigBee 使用在智慧农业中，经过对设计方案的制定，进行硬件电路和软件的安装设计之后，就可将其使用在农业生产、种植等各个环节中。本文主要是以大棚监控系统为例，在设计监控系统时，可以经过传感器自动采集智慧农业大棚中的数据信息，比如温度、空气质量、湿度以及光照等相关的数据。ZigBee 技术设备经过系统的运行将数据传输在计算机上，以便于计算机分析数据，然后下达控制智能大棚中每种设备的工作。计算机在获得数据之后可以形成数据折线图，把数据记录实施输入到后台数据库中，以此产生棚内和土壤环境的控制方案，最后经过计算机或是手机APP 实施调整方案，以此保障大棚中土壤环境可以符合农作物的生长需求。在实际工作中，ZigBee 技术设备网络节点把数据信息传输到ZigBee 居于网络数据中心，数据在这其中经过了汇总和简单分析之后。使用GPRS 子系统或是无线网络，配置相关的网络地址，从而把数据记录输入事前设置的数据库中。计算机或是手机APP 操作端可以依据后台数据中心分析情况来调整数据，然后生成实际的控制各个阶段控制器的方式。数据在无线网络传输，最后达到ZigBee技术网络设备。大棚和土壤数据信息需要提前设置好，然后让相关的硬件设备进行数据采集。在其中可以使用中控芯片，连接方式主要是串口或是模拟串口。数据采集之后经过AD 转换器把模拟信号转换成为数据信息。

4 结束语

农业生产和无线传感器网络相融，能够给精准农业与智慧农业等从概念朝着应用发展提供技术平台，在智慧农业的种植和加工检测、以及运输等相关环节都起到了很大的作用。所以相关人员应当积极采用无线传感器收集农作物生产信息，实时发现问题，在加工生产中监测农作物产品的质量，以此避免人工操作的盲目性，准确引导农业顺利生产，提升农业产品质量与农业经济效益，让以人为核心的农业生产变成将信息技术作为核心的农业生产模式。