基于無線傳感器的農(nóng)田溫濕度采集系統(tǒng)研究

黃麗韶

摘 要：文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于無線傳感器的農(nóng)田溫濕度采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過測試，能正確收集農(nóng)田的溫度和濕度信息，并通過無線傳感器傳輸?shù)浇K端設(shè)備，在終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，并給出簡單的決策提醒信息。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；農(nóng)田溫濕度；采集系統(tǒng)

農(nóng)田環(huán)境信息包括空氣溫濕度、光照度、風(fēng)速、土壤含水率等，相關(guān)的信息采集系統(tǒng)都是先收集這些信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端，進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測，并最終給出相應(yīng)的決策。這也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和方向。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)農(nóng)田灌溉與相關(guān)作業(yè)，經(jīng)常需要人員親自現(xiàn)場，觀察農(nóng)田的溫度和濕度信息，耗費(fèi)了大量的人力和物力，給農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來極大的阻礙。因此采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和GPRS技術(shù)將農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)和作物生長發(fā)育過程中的生理及形態(tài)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)上，利用各種數(shù)據(jù)算法及專家經(jīng)驗(yàn)知識對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究各種數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)系，可以更好地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供決策支持。

1 同類課題研究水平概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于20世紀(jì)90年代末期。美國商業(yè)周刊和麻省理工學(xué)院將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)改變世界的十大技術(shù)之一。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究，其在科學(xué)研究、國家安全、經(jīng)濟(jì)生活或人類生活眾多領(lǐng)域?qū)兄鼜V泛的應(yīng)用。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與具體的應(yīng)用環(huán)境有關(guān)系，因此存在不同應(yīng)用領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以應(yīng)用為目的，相關(guān)技術(shù)的研究均是圍繞其應(yīng)用展開的，其在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測、空間探索等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是未來改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來的四大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，是繼Internet之后對21世紀(jì)產(chǎn)生重大影響的IT技術(shù)之一，對人類的生活和工作方式將會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。無線通信常見形式有微波通信、短波通信、移動通信、衛(wèi)星通信、散射通信和激光通信等。它擺脫物理連接的束縛，無需通過電纜實(shí)現(xiàn)設(shè)備問的互連和信息的傳輸，成為通信技術(shù)研究熱點(diǎn)，使得對于無線通信的需求量越來越大，因此出現(xiàn)了許多無線通信協(xié)議。無線通信技術(shù)由近距離、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)募t外通信技術(shù)，到短距離、點(diǎn)對多點(diǎn)個(gè)人局域網(wǎng)，如藍(lán)牙和ZigBee，到中距離、多hop無線局域網(wǎng)，到長距離的便攜式電話系統(tǒng)，如GSM/GPRS和CDMA等，不同種類的技術(shù)隨著需求的不同而不斷發(fā)展完善，形成了巨大的市場潛力[1]。本設(shè)計(jì)考慮到成本及實(shí)用情況，采用短距離點(diǎn)對多點(diǎn)通信方式，設(shè)計(jì)了針對農(nóng)田土壤監(jiān)測的專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)軟件LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。這種開發(fā)工具的優(yōu)勢很多，比如，它能給用戶很好的界面體驗(yàn)，還有具有圖像操作系統(tǒng)式的編程界面和規(guī)范，開發(fā)人員并不需要敲寫大量的傳統(tǒng)代碼，所以，它是一種真正的工程師級別的語言。

2 基本思路

基于低成本、可擴(kuò)展、易推廣、服務(wù)三農(nóng)的原則，研究多樣性土壤信息的獲取與處理技術(shù)，設(shè)計(jì)田間與溫室信息的低成本采集、傳輸與控制系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)對土壤溫濕度高效、實(shí)時(shí)、統(tǒng)一、精準(zhǔn)的管理。以溫濕度為基本監(jiān)控元素，設(shè)計(jì)能完成對土壤溫濕度信息的可控采集、無線傳輸、圖像化顯示、數(shù)據(jù)庫處理與自動灌溉的系統(tǒng)平臺。數(shù)據(jù)傳輸無線化、信息監(jiān)控在線化、方案決策智能化、功能擴(kuò)展方便、設(shè)計(jì)成本低廉是其創(chuàng)新之處。

3 技術(shù)關(guān)鍵

本技術(shù)采用具有很強(qiáng)抗干擾能力的APC220無線收發(fā)模塊與自定義的無線傳輸協(xié)議，解決了無線電干擾問題。采用“多基站轉(zhuǎn)發(fā)”的無線傳輸協(xié)議，突破了無線模塊本身傳輸距離有限的局限，實(shí)現(xiàn)了任意距離的傳輸。針對土壤含水率變化滯后的特點(diǎn)，采用模糊控制算法進(jìn)行土壤含水率控制。采用自行設(shè)計(jì)的PCB電路板，保證了硬件系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、體積小巧，并為以后的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。采用LABVIEW開發(fā)環(huán)境在較短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出了界面友好、功能完善的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控軟件。主要技術(shù)指標(biāo)有：（1）誤碼率：400米距離時(shí)小于2% ；（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸距離：采用“多基站轉(zhuǎn)發(fā)”的無線傳輸協(xié)議，理論上可以達(dá)到任意距離；（3）灌溉誤差小于2%。

采用XL51智能溫濕度傳感器。集溫濕度采集、無線傳輸?shù)裙δ埽瑤э@屏，實(shí)時(shí)顯示溫濕度數(shù)據(jù)；配按鍵，支持手機(jī)WiFi現(xiàn)場調(diào)試的XL51無線溫濕度傳感器。XL51無線溫濕度傳感器，具有低功耗、高精度、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長等特點(diǎn)，支持4路數(shù)字量輸入，有線RS485輸出和無線輸出，可選433 MHz，2.4 GHz等無線傳輸方式。配置：4路獨(dú)立RS485&DC5V接口，用于接入XL62RH溫濕度感器探頭；溫度量程：-40～120℃，精度±0.3℃；濕度量程：0～100%RH，±3%RH；最多可選接入4支溫濕度傳感器探頭；溫濕度傳感器可配引線長達(dá)100米。

本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)的主要構(gòu)成是：信息抓取模塊、信息發(fā)送模塊、信息存儲中心模塊和信息決策模塊。信息存儲中心模塊（監(jiān)控中心）：硬件主要包括：工作站電腦、服務(wù)器（電信、移動或聯(lián)通固定IP專線或者動態(tài)ip域名方式）；軟件主要包括：操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)中心軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺（采用B/S結(jié)構(gòu)，可以支持在廣域網(wǎng)進(jìn)行瀏覽查看）、防火墻軟件；信息發(fā)送模塊（數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)）：采用移動公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)或490 MHz傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)無需布線構(gòu)建簡單、快捷、穩(wěn)定；移動GPRS無線組網(wǎng)模式具有：數(shù)據(jù)傳輸速率高、信號覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高、運(yùn)行成本低、維護(hù)成本低等特點(diǎn)；信息抓取模塊（溫室硬件設(shè)備）：遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備：遠(yuǎn)程監(jiān)控終端；傳感器和控制設(shè)備：溫濕度傳感器、CO2傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器、噴灌電磁閥、風(fēng)機(jī)、遮陽幕等。

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)田溫濕度采集系統(tǒng)的主要特點(diǎn)闡述如下：（1）實(shí)用性。農(nóng)田的地理位置并不集中，因此需要比較好的網(wǎng)絡(luò)信號來對采集的信息進(jìn)行抓取，所以，我們設(shè)計(jì)采用廣泛的GPRS實(shí)現(xiàn)，使用高增益天線，才能讓整個(gè)采集系統(tǒng)正常的使用，當(dāng)有多個(gè)信息發(fā)送時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)多線程的遠(yuǎn)程信號的發(fā)送與接收。（2）兼容性。本文實(shí)現(xiàn)的采集系統(tǒng)表現(xiàn)的兼容性主要是在它未來的發(fā)展上，能很好進(jìn)行擴(kuò)充。采集系統(tǒng)預(yù)知了多個(gè)接口，供系統(tǒng)進(jìn)行無線的擴(kuò)展，也方便后期開發(fā)人員進(jìn)行維護(hù)，對系統(tǒng)出現(xiàn)的錯(cuò)誤問題，能及時(shí)給出報(bào)警信息，以免造成大的損失，并能在一定程度上給出預(yù)測。（3）操作簡便。整個(gè)系統(tǒng)在采集信息的過程中，需要操作的步驟非常簡單，只有簡單的4個(gè)按鈕，并且給出了詳細(xì)的說明。4個(gè)按鈕都給出了明顯的標(biāo)志。4個(gè)按鈕分別是：溫度收集、濕度收集、報(bào)警按鈕和決策按鈕。

4 科學(xué)性與先進(jìn)性

所設(shè)計(jì)的土壤溫濕度在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)，融合了無線電、傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信及LABVIEW圖形化編程等技術(shù)。將成熟的傳統(tǒng)技術(shù)與高速發(fā)展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了“多基站轉(zhuǎn)發(fā)”無線通信機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了信息傳輸與處理平臺的搭建。同時(shí)，采用成熟的模糊控制算法對噴灌系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了灌溉的智能化。

4.1 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求包括：（1）根據(jù)具體監(jiān)控需求，部署傳感器節(jié)點(diǎn)和中轉(zhuǎn)基站，保證各節(jié)點(diǎn)能統(tǒng)一組網(wǎng)。（2）借助在線監(jiān)測軟件發(fā)出控制命令給傳感器群。（3）系統(tǒng)會根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動作出灌溉等決策方案，以供用戶參考。

4.2 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢

技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢包括：（1）采用APC220無線收發(fā)模塊與自定義的無線傳輸協(xié)議，有效避免了無線電的干擾問題。（2）采用“多基站轉(zhuǎn)發(fā)”的無線傳輸方式，突破了無線模塊本身傳輸距離有限的局限，實(shí)現(xiàn)了任意距離的傳輸。（3）采用LABVIEW軟件開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，開發(fā)周期短、界面友好。（4）采用PCB電路板，保證了硬件系統(tǒng)穩(wěn)定性。項(xiàng)目適應(yīng)范圍及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測。由于在軟硬件的設(shè)計(jì)上都留有充分的擴(kuò)展接口，故稍作修改即可應(yīng)用于需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理的場合，尤其是農(nóng)業(yè)方面，幾乎可以不加修改地直接使用。本系統(tǒng)不僅可以指導(dǎo)農(nóng)戶進(jìn)行精細(xì)化種植，還可以在少量改造后移植于其他需要感知的生產(chǎn)領(lǐng)域，有利于提高生產(chǎn)效率[2]。

[參考文獻(xiàn)]

[1]胡純意，李長庚，王鵬鵬，等.無線傳感網(wǎng)絡(luò)溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2010（5）：1199-1201.

[2]高辰，張思琪，張睿，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成品糧倉儲環(huán)境溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017（3）：30-31.endprint