設施農業智能監控分析論文

1農業控制設施

設施農業是近年來隨着農業環境工程技術的突破，迅速發展起來的一種集約化程度很高的農業生產技術。由於設施農業是在人為可控環境保護設施下的農業生產，擺脱了傳統農業生產條件下自然氣候、季節的制約，以超時令、反季節生產的設施園藝作物為主，不僅使單位面積產量及畜禽個體生產量大幅度增長，而且保證了農牧業產品，尤其是蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供應。設施農業目前已由簡易塑料大棚、温室發展到具有人工環境控制設施的自動化、機械化程度極高的現代化大型温室和植物工廠。設施農業在具有高附加值、高效益、高科技含量的設施園藝領域發展迅速，其栽培對象主要為蔬菜、花卉和果樹。近年來，設施畜牧業、設施水產養殖也在逐漸興起。國外對温室環境控制技術研究較早，始於上世紀70年代。先是採用模擬式的組合儀表，採集現場信息並進行指示、記錄和控制。80年代末出現了分佈式控制系統，現階段開發和研究集中於計算機數據採集控制系統的多因子綜合控制系統、多數據融合技術等[1，2]。目前，世界各國的温室控制技術發展很快，一些國家在實現自動化的基礎上正向着完全自動化、無人化的方向發展。鑑於此，本文提出了一種基於無線傳感網絡的設施農業監控系統設計。

2無線傳感網絡系統組成

無線傳感網絡(WirelessSensorNetworks,WSN)是在片上系統（SOC，SystemonChip）、微機電系統(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、無線通信和低功耗嵌入式技術基礎上發展形成新型應用技術，融合了傳感器技術、信息技術和網絡通信技術，由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡，其網絡拓撲動態變化，具有隨機部署、自組織、分佈式結構、等特點、智能型、健壯性、成本低、環境適應性強等優點[3，4]。無線傳感網絡系統由網關/匯聚節點（sink）、傳感器節點、管理節點組成。其中，網關節點負責對各節點傳感器數據的收集、處理及與外網的通信，作為數據採集的傳感器節點響應網關的請求，蒐集周圍的信息，如温度、濕度等；同時還要兼具有路由功能，通過路由協議直接或者通過作為多跳中轉者的'節點中轉到sink節點，再借助臨時建立的sink鏈路把整個區域內的數據傳輸到遠程中心；管理節點接收各點數據，進行分析和處理。各節點採用撒播、人工埋置等方式隨意散落在監控區域，並自組織成網絡。

3硬件設計

該監控系統由無線傳感器網絡、管理節點及各種執行機構等組成，各傳感器節點負責數據的獲取及傳送，管理節點實時顯示獲得的數據並進行相應處理，結合農業專家系統對相關量進行控制。

3.1傳感器節點

傳感器節點之間通信採用基於Zigbee技術的CC2530芯片實現（圖3所示）。ZigBee是基於IEEE802.15.4標準的一種短距離的無線通信技術，具有低功耗、低速率、低成本、低複雜度等特點。Zigbee遵循開放系統互連（OSI）參考模型，協議棧包括物理層、媒質訪問控制層、網絡層和應用層，支持自組織網絡技術；通訊距離從標準的75m到2km，並且支持無限擴展；工作頻率為2.4GHz和868/928MHz，主要面向消費電子、家居和樓宇自動化、工業控制、計算機外設、醫療護理等領域的應用[5]。CC2530是TI公司生產的一款基於具有SOC（片上系統)，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標準，芯片集成了2.4GHz直接序列擴頻RF收發器、工業級增強型805l微處理核、高達256KB閃存、8KBRAM、8通道12位A/D轉換器，2個USART接口，21個通用接口GPIO等，四種供電模式，具有較高的無線接收靈敏度和抗干擾性能，傳輸距離大於75m，最高傳輸速率250Kbps。CC2530工作温度為-40℃～+125℃，工作電壓2.0～3.6V，休眠時功耗電流可降低到0.6μA[6]。電源模塊由可充電電池、太陽能電池和電源管理單元構成，確保各節點長時間穩定工作。

3.2網關/匯聚節點

網關/匯聚節點設計如圖4所示，RS232接口與DM9161芯片[7]連接，實現網絡的接入；顯示模塊用於通信流量、網絡狀態監測，便於網絡安裝調試和故障診斷。

3.3檢測參數及傳感器節點的設置

設施農業中檢測的參數有温度、濕度、光照度、CO2、土壤水分、土壤温度、土壤養分、各種被控對象的開關量等。由於無線傳感網絡採用電池供電，傳感器選擇時要考慮功耗等因素；另外，不同參數在測點分佈及數量配置不盡相同，在設置節點時可適當整合，在滿足要求的情況下提高複用率，具體如下：①温、濕度節點：用於温室温、濕度監測，温度傳感器選用單總線數字式DS18B20，測温範圍為-55℃～+125℃，精度±0.5℃，分辨力最高達±0.0625℃，響應時間＜1s。濕度傳感器選擇頻率輸出濕度模塊HF3226，HF3226採用濕敏電容HS1101設計製造，具有寬量程：10～95%RH，性能穩定，體積小，比例線性的頻率輸出，精度±5%RH，工作温度範圍?40～80℃。②光照度、CO2節點：傳感器採用PD-LL，測量範圍0-20000lux，精度：±2%。CO2傳感器選擇TGS4160固態電化學型氣體敏感元件，測量範圍：0～5000ppm；加熱器電壓：5.0±0.2VDC；加熱器電流：250mA；加熱器功耗：1.25W；使用温度：-10～＋50℃。③土壤温度、水分、養分節點：土壤水分傳感器選擇AQUA-TEL，適用於測量任何類型土壤的體積含水量，測量範圍：0-100%，誤差<3%，重複性誤差<1%；土壤養分的測定包括土壤有機質、pH值、氮、磷、鉀以及交換性鈣和鎂的檢測，可採用離子、生物傳感器。④開關量節點：包括天窗、濕簾、噴灌等狀態檢測，提供控制系統輔助信息，可用接近開關或光電開關實現。

4軟件設計

4.1監控系統軟件

監控系統採用模塊化設計，基於VC++6.0編寫，採用數據庫操作方式實現節點數據存儲和讀取，並對相應參數進行控制。系統分為通信模塊、數據顯示模塊、數據庫管理及歷史記錄查詢模塊、農業專家決策系統和控制模塊。

4.2傳感器網絡節點程序設計

傳感器節點的主要工作是數據採集、網絡連接並承擔部分路由功能，保持與臨近節點的通信，檢測鏈路狀態等。為降低網絡的平均功耗、實現自適應組網，可採用LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)自適應的分簇拓撲算法[8]，選舉產生簇頭，由簇頭簇區域內的數據收集和融合並傳送至匯聚節點，負責路由選擇等工作。簇頭可動態產生。

5結束語

無線傳感器網絡融合了傳感器技術、信息技術和網絡通信技術，各傳感器分工協作，自主組網，網絡拓撲動態變化，具有隨機部署、自組織、分佈式結構、智能型、健壯性、成本低、環境適應性強等特點。ZigBee是一種新興的短距離、低成本和低功耗的無線網絡技術，相比於WiFi、Bluetooth等無線網絡系統，ZigBee協議的複雜度大大降低。基於ZigBee技術的無線傳感網絡，具有組網簡單、費用低、易擴展、性能穩定等優點。文章提出了一種基於無線傳感網絡技術的設施農業監測系統解決方案，順應設施農業環境監控自動化、智能化和網絡化的發展趨勢，具有廣泛的應用前景和推廣價值。如果對傳感器節點稍加修改，重新配置，可應用於環境監測、醫療、工業自動化等領域。