空中农业无线传感网环境监测系统

李鑫 张黎黎 肖文 易金 刘文达

摘要：针对水稻生长密集、环境复杂、种植面积大、难以实现人工入田信息采集等问题，基于物联网构建水稻环境监测系统。采用蓝牙低能耗（BLE）通信以多旋翼无人机为中继节点进行自组网来收集感知层数据，并且可以通过云服务器进行汇集、可视化、存储，实现了大面积、远距离、低功耗的水稻生长环境监测。结果表明，在同等条件下，使用该监测系统与传统收集方式相比，收集便捷、性价比高。该检测系统不但结构相对简单而且实用性高、成本较低、可靠性较好，能够满足稻田作物生长生理性状与产量关系环境信息监测的要求，可在农业生产中智能化地采集到高分辨率的环境信息，采集节点单次使用寿命满足水稻生长周期要求，能够有效提高农业精准管理的现代化程度和普及程度。

关键词：蓝牙低功耗;多旋翼无人机;智慧农业;自组网;环境监测系统

中图分类号： TP274;S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2021）16-0200-04

“智慧农业”是进入21世纪的第2个10年，在新一代信息技术飞速发展的背景下，结合当前世界范围内大数据、云计算、移动互联网等现代信息技术的发展特点和我国农业产业链转型升级发展的现实需要，提出引领农业可持续发展的新理念。它是基于信息技术的现代农田精耕细作技术[1-2]。快速、准确地监测水稻生长环境、长势状况是作物栽培调控和生产管理的核心内容，是农业生产管理部门制定决策、施行措施的重要依据，及时获取农业现场信息是进行现代化农业精准管理的重要基础，这就需要有更快捷、准确度更高、成本更低廉和多元化信息的支持[1]。进行感知数据汇聚、处理通过农业物联网获得的与农田生产相关的客观数据[2]。进而借助生产管理人员的经验和智慧来利用好客观数据进行分析，做出科学、节本、增效的管理决策，再通过精准的农业技术进行部署，从而获得更高的综合效益和稳定性[3]。

多旋翼无人机由于结构简单、价格相对低廉的特点，逐渐应用在智慧农业领域[4]。结合无人机的特点提出一种适用于水稻田环境的空中农业无线传感网环境监测系统，可作为规模化与集约化农业推动节本、增效，实现农业可持续发展的示范实例。

1 系统架构

基于蓝牙低能耗（BLE）技术的传感网，主要分为主机和从机2个部分，整个系统是由抗高湿传感器节点、无人机（UAV）中继器、云端平台、移动端组成。系统结构如图1所示[5]。

1.1 總体方案

抗高湿传感器使用耐候性能较好的亚克力板作为外壳材料密封核心电路，使核心部分与外界完全隔离。对于传感器部分的防湿处理，采取胶体密封管脚的方式，使它与外部隔离，而传感器与主控部分连接的导线，采用热缩管密封[6]。根据具体情况再在外壳内加入适量的干燥剂来去除水汽（图2）。

采用QAV-250小型四旋翼穿越机为平台搭载主机通信装置和SD（安全数码）卡存储模块作为空

中网络中继节点的数据接口。通过在稻田环境中接地飞行与田间数据采集节点进行数据交互[7]。它只承担感知层数据的收集和转发，并在移动过程中暂存这些数据，最终将数据通过机载通用无线分组业务（GPRS）汇集至云服务器进一步处理（图3）[8]。

采用OneNET 平台辅助分析中继节点上传数据（图4），使用平台配套APP（应用程序）可定制相关应用，方便实时查看（图5）[9]。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集节点

为简化设计和接线方便，温湿度采集使用单总线的DHT1 并采用DS18B20作为辅助温度测量，

抗高湿传感器如图2。DS18B20是常用的数字温度传感器，测温范围极其宽泛（图6）。

2.2 存储模块

从机采用EEPROM（带电可擦可编程只读存储器）存储芯片用IIC（集成电路）总线方式和CC2541通信，主机用1G大小的SD卡存储从机节点采集的数据。

2.3 蓝牙通信模块

蓝牙主控芯片是TI的CC2541，此芯片是 2.4 GHz 符合低能耗规范和私有的RF片载系统。它支持250 kb/s、500 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s的数据速率，可同时挂载多个不同类型的传感器模块。

2.4 GPRS模块

（1）主控芯片 CC2541 通过向GPRS模块发送AT（指令）上传数据AT+CIPSTART=“TCP”，“syau123.bj.bdysite.com”，“80”;AT+CIPSTART 建立连接;AT+CIPSEND。

（2）GPRS以POST方式发送数据[8]。数据采集以及无线通信和执行控制都由CC2541实现。

需要注意的是 CC2541 芯片的工作电压为 3.3 V，为实现电源的匹配须设计电源匹配电路完成 5.0 V 到3.3 V 的转换，设计中为主机增加了升压模块，其电路如图7所示。

3 系统软件设计

3.1 蓝牙主机

传感网主机采用基于OSAL（操作系统抽象层）的CC2541片载系统[10]。系统开机初始化进入搜索发现模式，搜索地面从机信号。设备发现完成后系统进入数据传输模式，建立连接开启数据链路接收数据，通过SPI（串行外设接口）通信存储所收集的数据，数据接收完成后由从机断开连接，链路关闭，延迟等待300 ms重启搜索发现模式并且屏蔽该设备地址避免重复接收。机载的GPRS可以将暂存在片载flash中的数据备份上传至云服务器由OneNET平台可定制应用做可视化分析处理（图8）。

3.2 蓝牙从机

系统上电初始化进入休眠模式开启广播，调用周期采集事件，等待主机进入广播范围进行连接，配对成功与主机建立连接，蓝牙由广播模式切换为数据传输模式，开启数据链路上传采集数据，已上传数据等待被复写。考虑到日常为日间作业，所以通过定时器周期唤醒系统节省电量（图9）。

3.3 OneNET平台

OneNET是由我国移动打造的PaaS物联网开放平台，平台能够帮助个人或企业快速部署设备，实现接入与连接，轻松完成产品开发部署，提供综合性的物联网解决方案。

OneNET平台会提供设备全生命周期管理相关工具，它帮助开发者快速实现成规模的设备的云端管理;它具有开放的API（应用程序编程接口）接口，推进个性化物联网应用系统的构建（图10）[11]。

4 测试分析

在沈阳农业大学道南试验田进行测试试验，共有9块试验田，设置2个采集节点，采集时间为2016年7月20—26日，采样周期为100 s，使用无人机搭载主机，飞过节点上空接收数据，存储在SD卡中，采集同一时间2个节点的温度和湿度。由图11、图12可以看出，温度和湿度曲线变化趋势基本一致，并且2个节点所测2 000组温湿度数据偏差不大，误信率约为4%。通过器件数据手册得到在理想条件下器件工作的相关数据，包括不同工作状态的工作电流、传输距离、传输速率。在完成整机装配的情况下，由于地上采集节点需要联网，所以会出现延迟等待（图13），可以看出建立连接需要 1 600 s 延迟，断开连接需要300 s延迟，数据延迟为10 s。在实验室中运用多次测量取平均值的方法，测得系统在不同工作状态的工作电流如图14所示，可知在采集状态下工作电流偏差为1.4 mA，在接受状态下偏差为1.8 mA，在发送状态下偏差为 1.8 mA，在休眠状态下偏差为0.544 mA。在最大功率下测得有效传输距离和在最大功率、不同距离下的平均传输速率监测数据传输速度如表1所示，可以看出实际传输距离为3.0 m，理论值为12.5 m，因为此环境监测系统在3.0 m以上，丢包率和错误率较高，使准确率较低。数据传输速度为 3.2 KB/s，理论上传输速度为 4.5 KB/s，偏差为1.3 KB/s。在实测环境下，实现温湿度信号的采集，数据准确、传输稳定，实现了预期對于水稻环境监测的目的。

5 结论

本研究从硬件和软件2个方面介绍基于无人机中继平台的无线传感器网络农田环境监测系统，利用多旋翼无人机作为中继节点，构建水稻环境监测系统，实现大面积、远距离、低功耗的水稻生长环境监测。该设备将CC2541芯片作为主控，依托光敏传感器、温度传感器、湿度传感器等模块采集水稻田生长环境信息，并处理、存储、传输[12]。采用核心芯片与诸多传感器分离的思想，有效地将作品核心部分远离高温、高湿的环境。使用多个纽扣锂电池供电，加之蓝牙4.0自身的低功耗性质，使其具有超长的工作时间。同时，考虑到稻田区域分布分散，同时使用多架无人机时数据不易汇集的情况，为空中中继节点添加了GPRS上传数据汇集在云服务器上的功能。该监测物联网可以克服空间和距离限制，提高自组网灵活性，大幅度延伸传感网覆盖程度。

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