精准农业环境监测系统的设计方案

精准农业（Precision Agriculture）的基本含义是根据作物生长的环境状况，调节对作物的投入，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境。准确实时的信息供给是精准农业的必须前提。精准农业的实现首先在于认识农田内农作物生长环境和生长情况的差异，而这必须依赖于各种先进的传感器，如大气温度、大气湿度、风速、太阳辐射、作物生长情况、作物产量等各种类型传感器。如何将这些传感器采集的信息及时准确地收集，为农业专家提供决策并制定农田变量作业处方的主要数据源和参数，一直是一个难题。近年来，出现了许多采用无线公共网络和无线网络等无线通信方式进行农、林、牧业的远程监测的研究。这些无线通信技术的优势是传输速度快、信息量大、可远距离传输，但都存在功耗高、时延长、通信费用高等因素制约，使其很难广泛地应用到农业环境监测中。

无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络，传感器节点具有数据采集处理，无线通信和自动组网的能力，协作完成大型或复杂的监测任务。无线传感器网络有监测精度高、低功耗、低成本、实时性好、高容量、覆盖区域大等显著优点，非常适合于农业环境监控系统的实现。本书在对现有农业环境监测系统和无线传感器网络充分研究的基础上，应用Zig Bee技术设计了一种基于的无线传感器网络的农业环境监测系统，系统可以对目标监测区内的温度、湿度、光照度，二氧化碳浓度等农业环境信息进行快速、可靠的远程采集和传输。

（一）系统总体设计

1.系统体系结构

基于无线传感器网络的农业环境监测系统由无线传感器节点、无线网关和监测中心服务器三部分组成。Zig Bee明确定义了星形、簇状和网状3种拓扑结构。为减小能量损耗和数据包丢失，本书采用簇状网络拓扑结构和层次路由协议。具体做法是将监测目标区域中的所有传感器节点分为若干个簇，每个簇相当于是一块较为固定的自组织网络。簇的范围由网络覆盖面积的实际情况决定。根据传感器节点在网络中扮演的角色不同，又将它们分为底层普通节点、簇首以及网络协调器三种类型。其中底层普通节点将采集到的数据跳传至本簇的簇首，簇首主要完成数据融合和转寄数据包，可以将其所辖簇的底层普通节点采集的数据融合处理并发送给就近的网络协调器，同时还可以将网络协调器发送给器的数据包向其所辖的簇广播。簇首应位于所划分的簇的较为中心的位置，使得每个节点和它的传输距离大致相同，各个节点的功耗分布较为均匀，从而避免某些节点由于传输距离较远而造成能量的过多消耗。网络协调器主要负责建网以及设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。

（二）系统工作过程

系统工作时首先由监测中心服务器发出对农田环境各项指标进行查询的请求命令，通过因特网和GPRS网络传到网关节点。网关节点根据请求命令的具体要求，选择对应的网络协调器，接着网络协调器根据命令选择所要查询的簇，当簇首节点收到控制命令以后，唤醒并激活本簇内的所有节点，进行数据采集和通信。节点及时采集数据，经过数模转换后发送给本簇的簇首节点，簇首节点对传来的数据进行融合，然后将融合后的数据发回到网关节点，继而通过外部网络传给监测中心服务器。监测中心对数据进行处理、分析，并存入环境信息数据库，为以后的分析决策提供数据资源。

（三）无线传感器网络在精准农业中的应用

1.应用于精准灌溉

基于WSN的农情监测和自动灌溉控制系统在国内外这方面已经取得了一些可观的研究成果，刘卉等人设计了农田土壤温湿度监测系统，该系统的建立为精准农业决策灌溉研究具有重大意义。高军等人采用GPRS网络与基于Zig Bee技术的无线传感网络相结合的节水灌溉控制系统，根据作物用水规律和土壤墒情实施精准灌溉，有效地解决了农业灌溉用水利用率低的问题。高峰等人利用WSN技术设计作物水分状况监测系统，此系统的建立为精准灌溉提供了科学依据。闻珍霞等人开发了一套精准滴灌自动控制系统，该系统的开发根据作物生长需求定量定点、精准施肥与灌水从而实现了增产增效、节水节肥和保护农业生态环境等目标。杨婷等人设计制作了一种基于CC2430无线传感器网络的自动滴灌系统，该系统实现了作物需要滴灌的判断方法，从而减少浪费。Kim等人研发一种闭环控制自动灌溉系统，将一个分布式现场无线传感器网络和可控灌溉系统整合到一个闭环控制之中，从而实现自动化变量灌溉。

2.应用于环境监测

WSN在环境中的应用包括温室环境与大气环境两类，主要是监测农作物土壤温湿度与空气温湿度等变更情况。在国内外已取得一些研究成果。Kotamäki等人通过WSN技术采集土壤湿度、水体混浊度、农业气象等信息对农业和水利管理决策的研究具有重要的意义。Park利用Zig Bee组建了温室监测系统，实现了自动控制温湿度。Pardossi等人利用WSN技术监测土壤湿度。Liu等人制作一套监测温室内光照、温度和土壤湿度等信息的WSN系统。

国内方面，张荣标等人以CC2420和MSP430芯片为核心，构建了湿度、光照度、温度和二氧化碳浓度等温室环境因子的无线监控系统。孙玉文等开发了远程农作物管理决策平台，实现了光照和温湿度等信息的监测。李银华等人开发了多温室环境监测系统，该系统的开发提高了对温室微环境中各参数的实时监测，也实现了传感器的灵活布置。冯友兵设计了一个灌区WSN系统，该系统的建立有效解决了节点定位、路由、网络结构和能量监控等问题。杨玮等研制了基于Zig Bee技术的温室无线控制终端。该终端实现了对温室环境中叶片温度、土壤水分、土壤温度和光照等的语音控制和自动监测。高峰等开发了一套基于WSN的作物水分状况监测系统，从而实现了在设施大棚中作物茎直径微变化与作物生长环境等参数的监测，同时也为设施农业中的应用做出了探索性研究。

3.应用于动植物生理生态监测

林惠强等人利用无线传感网络实时、自动地监测家禽的健康状况及行为特征信息，对禽畜（如疫情、发情、疾病等）生理特征信息进行监控和预警。尹令等通过在奶牛颈部放置无线传感器节点来监测奶牛的呼吸频率、运动加速度和体温等生理指标，从而判断奶牛是否发情或者生病。Butler等人设计了一个基于WSN圈状电子篱笆，将其佩戴于牲畜脖子上，然后将牲畜运动信息实时转发给基站。该系统可以实现移动物理篱笆所产生的开销和无人放牧以及节约饲育场安装。Wark等人研究了WSN在家畜饲养业中的应用，其意义是应用适当的激励来防止两头牛之间的战斗。

（四）WSN存在的问题与展望(www.xing528.com)

1.WSN存在的问题

（1）多种通信网融合。

实现WSN与广域网之间的透明互联是实现WSN的大规模组网及不同感知子网络之间的互联互通的前提。因此，WSN与互联网络协议网络的互联与融合是未来重点关注问题，也是精细农业发展的一种趋势。其中尤为重要的是WSN与IPv6网络的互联与融合问题。

（2）传感器成本。

在农田环境中需要部署大量传感器来实现农作物的生理指标与农田环境信息的实时监测，因此，低成本传感器研发具有重要的意义。

（3）网络系统的安全性。

到目前为止，基于WSN的农业环境监控系统很少涉及其安全问题，从而易使系统遭到攻击。尽管在农业系统中对其安全要求较低，但确保农业信息采集的准确性、安全性是有必要的。此类问题将会成为未来无线传感器网络技术的一个研究热点。

（4）传感器的即插即用。

目前在市场上总线的种类繁多，且其应用范围各不一样，导致其操作性与兼容性极差，而各个传感器制造厂商往往只生产满足特定总线接口的传感器，因此对传感器与通信网络之间的互操作性和兼容性影响很大，从而无法实现传感器的热插拔和即插即用功能。该问题已成为阻碍基于WSN的设施农业环境监控系统应用推广的重要因素。

（5）传感器节点功耗。

传感器节点由电池供电，可用电量有限，而对已部署大量传感器节点的农业环境来说，更换电池是很难甚至是不可能的。因此，研制体积小、容量大、寿命长、能量转换和储存效率高的新型储能电池，是降低WSN功耗的关键。同时该问题的解决具有广阔的应用和产业化前景。

2.展望

农业信息化是中国农业现代化的重要组成部分，可作为实现当代农业产业化的主要催化剂。当前，精准农业已成为农业现代化深入推进的发展方向，而利用无线传感器网络技术采集与高效管理农作物生长相关的各种环境信息是促进和推动精准农业发展的主要方法之一。

结合笔者自身研究工作实际，认为以无线传感器网络技术为基础的农业物联网是精准农业的发展方向，为进一步深入发挥该技术在农业现代化和精准农业上的重要作用，认为今后应重点关注如下几个方面：①无线传感器网络与互联网络协议的互联与融合；②进一步降低技术示范和推广成本，重点在于降低传感器的开发和生产成本；③拓展传感器与通信网络之间的兼容性，努力实现传感器的热插拔和即插即用；④降低能耗，研发新型功能电池，尽可能延长电池工作时间和使用寿命，提高工作效率。