精確農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署研究

張永棠++周富肯++吳圣才

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到精確農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。介紹了在贛南地區(qū)的生態(tài)園藝企業(yè)里引進(jìn)和部署的1個(gè)實(shí)驗(yàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并給出了使用4種類(lèi)型節(jié)點(diǎn)（土壤節(jié)點(diǎn)、環(huán)境節(jié)點(diǎn)、水節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）來(lái)部署網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中一些節(jié)點(diǎn)連接分布于田地里的不同傳感器。這些傳感器可以測(cè)量各種土壤特性，例如溫度、體積含水量和含鹽量。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)，從總體結(jié)構(gòu)、硬件和軟件組件方面進(jìn)行了描述。該系統(tǒng)還包括1個(gè)由放置在農(nóng)場(chǎng)中央室里的計(jì)算機(jī)所執(zhí)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序。系統(tǒng)的測(cè)試分2個(gè)階段完成：第一階段在實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證開(kāi)發(fā)設(shè)備的功能要求、網(wǎng)絡(luò)解決方案及節(jié)點(diǎn)電源管理；第二階段在農(nóng)場(chǎng)，評(píng)估設(shè)備的功能性能。該系統(tǒng)已成功實(shí)施到生態(tài)大白菜農(nóng)田里，實(shí)施結(jié)果表明其是一種通過(guò)在園藝環(huán)境下的分布式區(qū)域收集農(nóng)藝數(shù)據(jù)的低成本、高可靠性和簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)設(shè)施。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；精確農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；軟件架構(gòu)；生態(tài)園藝

中圖分類(lèi)號(hào)： TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）03-0200-06

收稿日期：2015-12-22

基金項(xiàng)目：江西省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（編號(hào)：JXKJ201304216）；中國(guó)井岡山干部學(xué)院科技創(chuàng)新成果項(xiàng)目（編號(hào)：CX142119）。

通信作者簡(jiǎn)介：張永棠（1981—），男，江西南昌人，碩士，副教授，研究方向?yàn)楣馔ㄐ排c傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。E-mail：gov211@163.com。

精確農(nóng)業(yè)的概念已經(jīng)出現(xiàn)有一段時(shí)間了。Blackmore將它定義為“一個(gè)通過(guò)精確調(diào)整土壤和作物管理以符合每個(gè)農(nóng)田的特定條件同時(shí)保持環(huán)境質(zhì)量，來(lái)達(dá)到優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面系統(tǒng)設(shè)計(jì)”[1]。如今，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以說(shuō)是一種估算、評(píng)估和理解發(fā)生在農(nóng)作物中的變化，以便能夠確定灌溉和肥料的需求、農(nóng)作物的生長(zhǎng)和成熟階段、播種和收獲的最佳時(shí)間等的盡可能準(zhǔn)確的方法，換句話說(shuō)，充分預(yù)測(cè)各個(gè)階段中的作物產(chǎn)量。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，重要的是要收集盡可能多關(guān)于水、土壤、植物和環(huán)境的信息[2]。

本研究介紹了在園藝農(nóng)場(chǎng)里引入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)。其他工作最近已證明無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功地應(yīng)用到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。該農(nóng)場(chǎng)位于江西省贛南地區(qū)，是我國(guó)南方重要的園藝區(qū)之一。該農(nóng)場(chǎng)已實(shí)行生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)，該試驗(yàn)也被稱為生物或有機(jī)耕作。

該農(nóng)場(chǎng)是中型（8 000 hm2）的，由250個(gè)農(nóng)田一個(gè)接一個(gè)地遍布在離贛州市區(qū)幾公里之外。作為一個(gè)規(guī)范的研究項(xiàng)目，考慮使用10個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)作物，成星型拓?fù)溥B接，使用一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。此外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)堆棧來(lái)存儲(chǔ)接收消息，并稍后分配一個(gè)任務(wù)來(lái)處理；支持超過(guò)10個(gè)以星型拓?fù)浞绞竭B接的節(jié)點(diǎn)。然后，這方面工作的最終目的是為農(nóng)場(chǎng)提供它所必需的基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)時(shí)地確定作物的缺水狀況，并做出適當(dāng)?shù)臎Q策。

研究實(shí)例被設(shè)計(jì)成2個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)不同的參數(shù)。第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)收集土壤的溫度、濕度和鹽度，而第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)記錄環(huán)境的溫度和濕度。此外，1個(gè)獨(dú)立的無(wú)線傳感器被安放在1個(gè)池塘里測(cè)量作物供給水的鹽度。這些子網(wǎng)和獨(dú)立的無(wú)線傳感器通過(guò)適當(dāng)?shù)木W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送所有數(shù)據(jù)到設(shè)在中央農(nóng)場(chǎng)辦公室的基站節(jié)點(diǎn)，在那里制作關(guān)于作物的決策。設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了不同的網(wǎng)絡(luò)，低成本的特定節(jié)點(diǎn)（不帶傳感器約150美元），以及連接網(wǎng)絡(luò)和中央辦公室的網(wǎng)關(guān)。1個(gè)后臺(tái)監(jiān)控應(yīng)用程序被開(kāi)發(fā)出來(lái)控制所有的設(shè)備和記錄所收到的信息到1個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，以用來(lái)制作灌溉策略。

1試驗(yàn)情況

提出農(nóng)藝問(wèn)題的解決安排如圖1所示。這包括2個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)和1個(gè)獨(dú)立的無(wú)線傳感器。第一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由10個(gè)土壤節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接2個(gè)埋在20 cm或40 cm深的土壤里的Stevens Hydra Probe Ⅱ傳感器[3]。這些傳感器可以測(cè)量各種土壤特性，如溫度、體積含水率、鹽度等。第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)由10個(gè)環(huán)境節(jié)點(diǎn)組成，使用Sensirion SHT71傳感器[3]測(cè)量環(huán)境溫度和濕度。

除了這些傳感器網(wǎng)絡(luò)，1個(gè)無(wú)線傳感器，稱為水節(jié)點(diǎn)，被安放在1個(gè)用于灌溉農(nóng)場(chǎng)的池塘里。無(wú)線傳感器的目的是來(lái)測(cè)量基于水電導(dǎo)率的鹽度和溫度，以便確定用來(lái)灌溉作物的水質(zhì)。該傳感器是Stevens EC 250，適用于傳感器的遠(yuǎn)程無(wú)線模塊，允許與5.5 km以外的基站直接通信[4]。這些節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)將在下面詳細(xì)說(shuō)明。表1總結(jié)了傳感器的主要特點(diǎn)。

這2個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)分別遠(yuǎn)離中心電腦5.2、8.7 km。為了保證系統(tǒng)的無(wú)線覆蓋，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用和在水節(jié)點(diǎn)里同樣的技術(shù)，使用遠(yuǎn)距離無(wú)線模塊。每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)IEEE 802.15.4互連[5]。當(dāng)消息通過(guò)網(wǎng)關(guān)到達(dá)中心計(jì)算機(jī)，中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控應(yīng)用程序處理和檢查其來(lái)源及其所包含的信息。消息存儲(chǔ)在1個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，其中保存了傳感器收集到的數(shù)據(jù)和各時(shí)期的歷史記錄。以下各節(jié)將詳細(xì)說(shuō)明每一個(gè)已開(kāi)發(fā)的節(jié)點(diǎn)、需求和監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)。

2設(shè)備開(kāi)發(fā)

選擇用來(lái)處理所提出問(wèn)題的解決方案是使用節(jié)點(diǎn)（土壤節(jié)點(diǎn)、環(huán)境節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）布置2個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，1個(gè)測(cè)量水質(zhì)的無(wú)線傳感器和在中央辦公室的2個(gè)節(jié)點(diǎn)（在屋頂上的中繼節(jié)點(diǎn)和連接到監(jiān)測(cè)電腦的基站節(jié)點(diǎn)）。

本研究所描述的設(shè)備是在SNA（sensor network architecture，傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)）[5]背景和RIMSI項(xiàng)目下開(kāi)發(fā)的，是為了滿足各種網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的需求（長(zhǎng)至10 km），以及因?yàn)闆](méi)有節(jié)點(diǎn)適合農(nóng)業(yè)工具市場(chǎng)上提供的SDI-12標(biāo)準(zhǔn)（SDI，2012）。在設(shè)計(jì)這些設(shè)備時(shí)考慮到的主要需求有：（1）魯棒的無(wú)線技術(shù)；（2）低成本、低功耗的電子設(shè)備；（3）長(zhǎng)期能源的使用和減少大小（約2 700 mA·h）；（4）連接不同類(lèi)型的外置傳感器的輸入/輸出接口的使用（SDI-12，I2C，4～20 mA）。下面詳細(xì)列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)、使用的傳感器、節(jié)點(diǎn)功能和軟件組件的開(kāi)發(fā)。

2.1土壤節(jié)點(diǎn)

土壤節(jié)點(diǎn)由1個(gè)微控制器、1個(gè)短程無(wú)線電收發(fā)器、1個(gè)SDI-12接口、2個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器和1套電池組成（見(jiàn)圖2-a、圖2-b）。所有元件放入IP67保護(hù)等級(jí)的水密箱里。圖2顯示了土壤節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)及其在田地的放置。

微控制器選擇德州儀器的Msp430F1611，使用TinyOS version 2編程（Tiny，2008）（Hill et al.，2000）。所有其他節(jié)點(diǎn)都使用相同的微控制器[5-6]。短程無(wú)線模塊使用CC2420（Chipcon），也來(lái)自德州儀器。該模塊與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、帶寬為250 kbp、2.4 GHz的無(wú)線通信來(lái)交換數(shù)據(jù)[5]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和辦公室之間的網(wǎng)關(guān)。能量由連接到第二個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的3個(gè)AA NiMH 2 700 mA·h 可充電電池供應(yīng)[7]。這個(gè)轉(zhuǎn)換器提供2.5 V直流電給節(jié)點(diǎn)的所有組件。這些電池持續(xù)了7個(gè)月左右，對(duì)于一個(gè)正常的農(nóng)事季節(jié)來(lái)說(shuō)這能保證足夠多的時(shí)間。

每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)SDI-12接口連接2個(gè)Stevens Hydra Probe Ⅱ（HP2）傳感器[3]（圖2-c）。SDI-12是1 200 Bd波特率的串行數(shù)據(jù)接口。這是一個(gè)連接電池供電的數(shù)據(jù)記錄器與基于微處理器的用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集的傳感器的接口標(biāo)準(zhǔn)。HP2是一個(gè)原位土壤傳感系統(tǒng)，能測(cè)量22種不同的土壤參數(shù)，同時(shí)以數(shù)字形式輸出。它即刻計(jì)算出土壤水分、電導(dǎo)率/鹽度和溫度。

土壤節(jié)點(diǎn)從HP2傳感器監(jiān)測(cè)4種參數(shù)[土壤溫度（℃）、土壤氯化鈉濃度（g/L）、土壤水分的體積百分比和隨溫度校正的土壤電導(dǎo)率（S/m）]；用戶可在接收端PC機(jī)配置采樣周期， 范圍在30 min到48 h之內(nèi)。因?yàn)椴蓸油ǔＪ前葱r(shí)的，決定于每個(gè)讀周期發(fā)送讀取的數(shù)據(jù)，因而結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可用性，以及合理的能量消耗。該器件還監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)達(dá)到臨界水平時(shí)發(fā)出1個(gè)信號(hào)。

該節(jié)點(diǎn)使用TinyOS 2.0操作系統(tǒng)編程[8]，相關(guān)的編程語(yǔ)言為nesC，這是專用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的。nesC被創(chuàng)建為C編程語(yǔ)言的延伸，使用“wired”組件來(lái)運(yùn)行TinyOS上的應(yīng)用。組件使用接口相互連接。TinyOS為通用抽象提供接口和組件，如數(shù)據(jù)包通信、路由、傳感、驅(qū)動(dòng)和存儲(chǔ)。TinyOS是一個(gè)眾所周知的新無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的可選替代，并提供可重復(fù)使用的組件，以確保遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的可靠通信，并支持許多硬件（微控制器、收發(fā)器、傳感器）。此外，還有1個(gè)用nesC撰寫(xiě)的ZigBee（Open-ZB）實(shí)現(xiàn)。

TinyOS是一個(gè)開(kāi)放的源代碼；（2）當(dāng)需要的時(shí)候允許應(yīng)用軟件直接訪問(wèn)硬件；（3）支持多種硬件平臺(tái)。因此，TinyOS被選擇用來(lái)作為開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用軟件。

2.2環(huán)境節(jié)點(diǎn)

為了便于閱讀，以下不討論其他節(jié)點(diǎn)與土壤節(jié)點(diǎn)的共同點(diǎn)，只討論新的元件和功能的細(xì)節(jié)。

環(huán)境節(jié)點(diǎn)（圖3）記錄作物的環(huán)境溫度和濕度參數(shù)。正如在圖3-a中顯示的，節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)類(lèi)似于土壤節(jié)點(diǎn)，除了與外部傳感器的接口。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)I2C接口連接Sensirion SHT71傳感器（圖3-b），放置在1個(gè)離地面1.5 m高的日光保護(hù)罩里。這些類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)采取引用參數(shù)讀數(shù)的最高頻率為2個(gè)讀數(shù)/h。環(huán)境節(jié)點(diǎn)放置在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)周?chē)霃郊s100 m之內(nèi)的地方。最初安排這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括10個(gè)節(jié)點(diǎn)。同樣，該節(jié)點(diǎn)也使用TinyOS編程。SensirionSht11C組件用來(lái)滿足上面所述的功能。此外，Msp430ADC0C用于采樣微處理器的ADC0模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以確定當(dāng)電池電壓低于某一閾值時(shí)，發(fā)出低能量警報(bào)。

2.3水節(jié)點(diǎn)

水節(jié)點(diǎn)（圖4）測(cè)量用于灌溉作物的池塘水的溫度和鹽度。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)通過(guò)使用適合戶外8dBi全向性天線的遠(yuǎn)程無(wú)線模塊（XStream X24-019PKI-RA radio modem）直接與辦公室連接通信。其余結(jié)構(gòu)和前述節(jié)點(diǎn)非常相似（圖4-a和圖4-c）。Stevens EC 250傳感器淹沒(méi)在池塘里。這2個(gè)傳感器輸出（溫度和鹽度）4～20 mA的信號(hào)；當(dāng)電流回路穿過(guò)1個(gè)電阻器后，微控制器的ADC0和ADC1轉(zhuǎn)換器讀取這2個(gè)傳感器。讀取這些參數(shù)的最高參數(shù)頻率是2讀數(shù)/h。節(jié)點(diǎn)由太陽(yáng)能電池板供電，并封裝在放置池塘邊的水密箱里。[FL）]

[TPZYT4.tif][FK）]

其天線安裝在約4 m高的桅桿上。EC250C組件再次使用 TinyOS 來(lái)開(kāi)發(fā)，以滿足上文所述的功能。

2.4網(wǎng)關(guān)、基站和中繼節(jié)點(diǎn)

正如我們?cè)趫D1中看到的，設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施需要2個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線傳感器與辦公室互連：（1）每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)基于環(huán)境節(jié)點(diǎn)，另外一個(gè)基于土壤節(jié)點(diǎn)；（2）中繼節(jié)點(diǎn)位于辦公樓屋頂；（3）基站節(jié)點(diǎn)放置在辦公室內(nèi)，物理連接到監(jiān)測(cè)電腦。

圖5-a和圖5-b詳細(xì)顯示了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)圖像及其硬件架構(gòu)框圖。微控制器與作物節(jié)點(diǎn)通過(guò)短距離無(wú)線模塊進(jìn)行通信，而與在辦公室處的中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線模塊通信。由于采用可充電太陽(yáng)能電池，能量供應(yīng)壽命已經(jīng)足夠。太陽(yáng)能電池板是Zodiac Solar的TPS 102/5（12 V，5 W）面板[3，9]，成30°角安裝。在最壞的情況下，在卡塔赫納區(qū)的平均太陽(yáng)輻射在這個(gè)角度測(cè)試時(shí)為4 600 W·h/m2。網(wǎng)關(guān)能耗為 7.8 W·h。因此，面板能給節(jié)點(diǎn)能耗提供更多的能量。

為了確保基站節(jié)點(diǎn)有足夠的覆蓋面，主天線架設(shè)在高約9 m的辦公室屋頂。主天線和基站節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線連接也通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)?；竟?jié)點(diǎn)收集傳感器網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的所有信息（在中繼節(jié)點(diǎn)的幫助下），并傳輸?shù)介_(kāi)發(fā)用來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序。同樣，軟件應(yīng)用程序可廣播任何命令給傳感器網(wǎng)絡(luò)。該節(jié)點(diǎn)由連接3dBi全向天線的遠(yuǎn)程無(wú)線模塊（2.4 GHz）和1個(gè)用于連接中心計(jì)算機(jī)的RS-232接口組成。中繼節(jié)點(diǎn)是1個(gè)配置為轉(zhuǎn)發(fā)器模式的商業(yè)無(wú)線電調(diào)制解調(diào)器，連接到1個(gè)8dBi的全向性天線。在戶外可提供16公里的視距覆蓋范圍。

3監(jiān)控應(yīng)用程序

監(jiān)控應(yīng)用程序由以下集成：（1）圖形用戶界面（GUI）顯示從傳感器讀取到的數(shù)據(jù)；（2）接收和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的程序。這2個(gè)程序使用Java編程語(yǔ)言、Eclipse環(huán)境和MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。這些應(yīng)用程序的基本特點(diǎn)可歸納如下：

圖形用戶界面（圖6），能確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)和作物的確切地理位置；傳感器讀取的數(shù)據(jù)定期發(fā)送到基站并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)里（程序等待一個(gè)事件觸發(fā)，表明串口有數(shù)據(jù)）。GUI將讀取這些數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)圖形可視化它們。此外，用戶應(yīng)用程序可修改采樣周期；數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)存儲(chǔ)部署的節(jié)點(diǎn)、其匯聚區(qū)域、集成在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器、讀取歷史記錄、傳感器類(lèi)型、傳感器和地區(qū)發(fā)出警報(bào)的歷史記錄（例如電池失效、低于某一閾值等）；顯示從傳感器讀取的最新數(shù)據(jù)，而3個(gè)網(wǎng)絡(luò)顯示在右側(cè)。表格之下的圖形按用戶選擇的時(shí)間間隔顯示數(shù)據(jù)，或者提供收集到的最新數(shù)據(jù)。

土壤和環(huán)境節(jié)點(diǎn)都提供以下服務(wù)：改變傳感器的采樣周期和配置設(shè)備按每小時(shí)電池供電發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)電池充電嚴(yán)重不足時(shí)，它們觸發(fā)警報(bào)信號(hào)。此外，土壤節(jié)點(diǎn)還提供其他服務(wù)，如：設(shè)定土壤類(lèi)型、配置測(cè)量數(shù)據(jù)集、設(shè)定灌溉水量和建立預(yù)熱時(shí)間。請(qǐng)注意，所有服務(wù)都提供了發(fā)送一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)組合來(lái)設(shè)置采樣周期。

4結(jié)果

[JP2]實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法包括2個(gè)階段：第一個(gè)階段在實(shí)驗(yàn)室，第二個(gè)階段在田地里。在第一階段部署所有的子網(wǎng)（只用4個(gè)節(jié)點(diǎn)作為土壤節(jié)點(diǎn)和環(huán)境節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)的例子）、2個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、基站和中繼節(jié)點(diǎn)。這一階段的主要作用是驗(yàn)證所提出的硬件和軟件解決方案。驗(yàn)證沒(méi)有使用低能耗技術(shù)的硬件與軟件版本。一旦保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，下一步是審查軟件，以便合并低能耗模式到所有節(jié)點(diǎn)，除了主要部分的供電（基站和中繼節(jié)點(diǎn)）。這樣，可以達(dá)到系統(tǒng)的充分自治，以確保節(jié)點(diǎn)可以運(yùn)作整個(gè)園藝周期（10周）。第二階段的目標(biāo)是，在實(shí)際農(nóng)場(chǎng)條件下進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)估所開(kāi)發(fā)裝置的功能性能，如范圍、魯棒性和靈活性。[JP]

為了達(dá)到所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)結(jié)果實(shí)現(xiàn)的充分評(píng)估，從以下觀點(diǎn)進(jìn)行了分析：（1）從設(shè)備開(kāi)發(fā)和技術(shù)使用的角度來(lái)看；（2）從農(nóng)業(yè)的角度來(lái)看。

4.1設(shè)備的結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室的功能驗(yàn)證后，所開(kāi)發(fā)的裝置重編程為低能耗模式，因該模式最適合運(yùn)行在田地里。這一運(yùn)作模式的詳細(xì)研究表明有必要確保整個(gè)農(nóng)業(yè)周期的自治。以下介紹針對(duì)土壤節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的研究，這項(xiàng)研究與所有其他節(jié)點(diǎn)相同。

[JP2]土壤節(jié)點(diǎn)有4個(gè)功能狀態(tài)：休眠、無(wú)線電待機(jī)接收消息、傳感器數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)傳輸。表3列出了節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)狀態(tài)的能耗和時(shí)間。最壞的情況是采用平均能耗，從2個(gè)傳感器每 30 min 采集和傳輸數(shù)據(jù)。本研究的最終目的是，確定節(jié)點(diǎn)的平均能耗是多少，將由此得出的數(shù)字直接關(guān)聯(lián)電池的電能，從而確定該設(shè)備的自治時(shí)間。節(jié)點(diǎn)的平均能耗可以如下確定：[JP]

[JZ（]Isoil-mote=Istandby+Ireceiv+Iacq+Itrans。[JZ）][JY]（1）

其中，

[JZ（]Istandby=0.25 mA；[JZ）][JY]（2）

[JZ（]Ireceiv≈[SX（]20 mA×15×10-310[SX）]=0.03 mA；[JZ）][JY]（3）

[JZ（]Iacq≈2×[JB（（][SX（]110 mA×1 800×10-31 800[SX）][JB））]；[JZ）][JY]（4）

[JZ（]Itrans≈2×[JB（（][SX（]25 mA×125×10-31 800[SX）][JB））]=0.003 5 mA。[JZ）][JY]（5）

表達(dá)式（2）表明待機(jī)能耗。表達(dá)式（3）表示節(jié)點(diǎn)在接收模式為每10 s 15 ms脈沖時(shí)的平均能耗。表達(dá)式（4）和（5）反映類(lèi)似的計(jì)算，僅乘以2，這是許多連接到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)目。表達(dá)式（1）給出了土壤節(jié)點(diǎn)的平均電流消耗，大約0503 5 mA。由于土壤節(jié)點(diǎn)的電池是2 700 mA·h，其估計(jì)自治時(shí)間為223 d，足以保證正常運(yùn)作整個(gè)農(nóng)業(yè)或園藝季節(jié)。其他設(shè)備的能耗研究與土壤節(jié)點(diǎn)一樣遵循同樣的過(guò)程。結(jié)果總結(jié)見(jiàn)表2。節(jié)點(diǎn)安置在田地如此消耗后，驗(yàn)證測(cè)試持續(xù)了9周以上，沒(méi)有收到任何設(shè)備的低電量警報(bào)，這表明太陽(yáng)能電池板工作正常以及驗(yàn)證能耗評(píng)估。

為了覆蓋設(shè)備，放在辦公室內(nèi)的基站節(jié)點(diǎn)，使用3dBi全向天線。由于建筑的覆蓋狀況，中繼節(jié)點(diǎn)不得不從一開(kāi)始就放[CM（25]在屋頂上。這提供了中繼節(jié)點(diǎn)和配備XStream的節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)和水節(jié)點(diǎn)）之間達(dá)10 km的覆蓋面。所有裝在戶外的8dBi全向性天線，安裝在4 m高的桅桿上，以避免任何障礙。

一旦傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)定位好，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與土壤節(jié)點(diǎn)之間的最大覆蓋范圍是50 m，環(huán)境節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍是 100 m。土壤節(jié)點(diǎn)放置在園藝作物里。因?yàn)樽魑镓S富的根部，傳感器需埋入20 cm或40 cm深的土壤里。和環(huán)境節(jié)點(diǎn)不同，土壤節(jié)點(diǎn)放在地面上，因而覆蓋較差。當(dāng)土壤節(jié)點(diǎn)第一次安裝時(shí)，作物的頂部略高于地面，所以節(jié)點(diǎn)工作完美。然而，幾個(gè)月后當(dāng)作物開(kāi)始向上長(zhǎng)時(shí)它們停止了工作。這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)解決，將原來(lái)天線替換為3dBi全方位版本。

4.2農(nóng)業(yè)成果

驗(yàn)證測(cè)試在位于江西省南部的贛州市某園藝場(chǎng)占地 4 hm2 的生態(tài)草莓園里進(jìn)行。在40 cm深的作物土壤特性是：黏壤土質(zhì)地，總碳酸鹽35.4 mg/L，速效磷（Olsen法測(cè)定）78.6 mg/kg，速效鉀（乙酸銨法測(cè)定）487.0 mg/kg。滴灌系統(tǒng)埋在2行作物之間和每0.20 m安裝1 L/h的發(fā)射嘴。使用噴灑化肥方法給作物施肥。在3月的第1周部署節(jié)點(diǎn)，這時(shí)農(nóng)場(chǎng)主開(kāi)始收集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。土壤節(jié)點(diǎn)的傳感器置于20 cm和40 cm深的作物底下。在此期間，有80 mm累積雨量，達(dá)65 km/h的中等強(qiáng)風(fēng)和溫和的溫度（平均 15.2 ℃）。圖7顯示了生長(zhǎng)周期內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)（土壤濕度、空氣溫度、光照、二氧化碳濃度等）。Hydra Probe傳感器提供準(zhǔn)確的土壤濕度測(cè)量，水容積的單位為體積（wfv或m3/m3）。也就是說(shuō)，土壤里的水的比例以十進(jìn)制形式顯示。例如，0.20 wfv 水含量意味著1 L的土壤樣品含有200 mL的水。充分飽和度（所有土壤孔隙空間裝滿了水）通常發(fā)生0.5～06 wfv，并且相當(dāng)依賴土壤。節(jié)點(diǎn)被驗(yàn)證能正常運(yùn)行。這為類(lèi)似的氣候條件提供了一些魯棒性保證。

'在介紹此技術(shù)之前，園藝場(chǎng)用傳統(tǒng)方式監(jiān)測(cè)其作物，即派人用適當(dāng)?shù)谋銛y設(shè)備觀察作物和池塘來(lái)衡量相關(guān)的農(nóng)藝參數(shù)?，F(xiàn)在，使用所開(kāi)發(fā)的技術(shù)，作物變量可以實(shí)時(shí)確定，作物的水需求不用派人去觀察它們就可以估算。農(nóng)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保持白菜生長(zhǎng)的最佳條件（EC值范圍為2～4 mS/cm，溫度在10～24 ℃，相對(duì)濕度在60%～90%的范圍）。

5結(jié)束語(yǔ)

本研究描述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)真正監(jiān)測(cè)作物土壤和環(huán)境狀況的機(jī)會(huì)。該系統(tǒng)成功地在所需精度下監(jiān)測(cè)了生態(tài)白菜作物的整個(gè)生長(zhǎng)期。農(nóng)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在能夠收集更全面和更準(zhǔn)確的空間和時(shí)間數(shù)據(jù)。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)受益于把高技術(shù)融合到通信和信息技術(shù)領(lǐng)域。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收集廣泛范圍內(nèi)的土壤和環(huán)境條件測(cè)量值的能力是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)是能顯著減少和簡(jiǎn)化布線、更快地部署、無(wú)限制安裝傳感器的靈活性和更好的移動(dòng)性。盡管這項(xiàng)技術(shù)潛力很大，但是還存在一些困難，例如缺乏有經(jīng)驗(yàn)的工作人員解決問(wèn)題、傳感器成本高、電源供應(yīng)問(wèn)題等等。

下一步研究的目的是建立一個(gè)專家系統(tǒng)，以協(xié)助灌溉管理，結(jié)合氣候（ET）和土壤水分平衡模型來(lái)估算作物需水量，優(yōu)化灌溉編程和遠(yuǎn)程操縱灌溉設(shè)備的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al.Wireless sensor networks：a survey[J]. Comput Networks，2012，38（4）：393-422.

[2]Camilli A，Cugnasca C E. From wireless sensor to field mapping：Anatomy of an application for precision agriculture[J]. Comput Electron Agr，2007，58（1）：25-36.[HJ1.75mm]

[3]Chiti F，Cristofaro D A，F(xiàn)antacci R，et al. Energy efficient routing algorithms for application to agro-food wireless sensor networks[C]. Proceedings of IEEE International Conference on Communications （ICC2005），Seoul，Korea，2015：3063-3067.

[4]Hill J，Szewczyk R，Woo A，et al. System architecture directions for networked sensors[J]. Acm Sigplan Notices，2013，35：93-104.

[5]Morais R. A ZigBee multi-powered wireless acquisition device for remote sensing applications in precision viticulture[J]. Comput Electron Agr，2008，62（2）：94-106.

[6]Pierce F J，Elliott T V. Regional and on-farm wireless sensor networks for agricultural systems in Eastern Washington[J]. Comput Electron Agr，2008，61（1）：32-43

[7]Vellidis G，Tucker M，Perry C，et al. A real-time wireless smart sensor array for scheduling irrigation[J]. Comput Electron Agr，2008，61（1）：44-50.

[8]Wang N，Zhang N，Wang M. Wireless sensors in agriculture and food industry-recent development and future perspective[J]. Comput Electron Agr，2006，50（1）：1-14.

[9]Zhang N，Wang M，Wang N. Precision agriculture -a worldwide overview[J]. Comput Electron Agr，2012，36（2/3）：113-132.