精准农业无线传感器网络节点定位监测系统设计

　　摘要：我国农业的发展促使精准农业研究受到越来越高的重视，精准农业能够实现经济的较大提高。精准农业中要求将环境的适宜程度作为作物健康成长的有效标准。影响作物生长的因素主要为温湿度及土壤的湿度等，快速准确地获取农作物的生长环境信息，了解作物的实时生长环境很重要。针对传统的环境监测所存在的采样率低、工作效率低以及布线不便等缺点，本文设计了ZigBee无线传感器网络节点定位监测系统。针对农业中植物生长所需的良好环境信息的采集传输及上位机数据存储等进行了十分详细的分析与设计，最后进行数据库的存储为植物生长环境的研究提供有力分析数据。ZigBee技术能够被大众接受与使用是因为其拥有独特的优点，例如其能量损耗小、能够实现网络自组、设备布置灵活以及稳定性能好等。无线传感器网络能够进行实时环境信息采集、网络环境数据通讯与处理，被广泛用于医疗、室内建筑、军用民用及精准农业植物生长环境方面。随着国家对农业发展的持续关注及精准农业地迅速发展，无线传感器网络技术已经被广泛应用，成为采集农业环境信息，不断提高管理水平及增加作物产量必要手段。

　　关键词：精准农业；节点定位；温湿度：数据采集

　　1引言

　　1．1研究背景和意义

　　众所周知，我国是农业大国，土地资源总量大人均占有量却极少，以世界7％的土地满足众多人口的粮食需求。传统农业在发展过程中主要依靠农药化肥的大量施用提高作物产量，由于过度地投入导致生态环境恶化和农产品品质下降。面对农产品国际市场竞争激烈的事态，改变传统的管理方式，减少资源损耗，充分利用土地这种不可再生的资源，如何在有限的资源基础上增加产品产量、提高生产效率、结合环境与经济的双重效益是我国亟待解决的重要问题【l。2J。融合了农业技术及信息技术的精准农业现今成为重要研究方向，应用无线传感器网络技术设计农田信息管理监测系统是农业信息自动化智能化研究的热点。

　　1．2国内外研究现状

　　1．2．1国外研究现状精准农业是在20世纪80年代初期由美国人首先提出。精准农业是在生产生活中应用现代信息监测技术对检测对象进行自动监测，是现代科技发展的必然产物，也是科学技术进步的标志。在20世纪90年代初，美国召开了史上第一次关于精准农业发展的科研讨论会，从此以后，精准农业成为了世界上最富有研究价值的前沿课题之一。精准农业成为了新世纪全球农业发展的旗帜与方向，面向二十一世纪的农业技术革命正在悄无声息地进行[9-10]。

　　1．2．2国内研究现状随着美国提出精准农业的概念，我国科研人员对其高度重视，并开始进行相关精准农业的试验。主要针对植物生长所需要的优良环境、精准施肥和播种以及植物生长所需要的水分及二氧化碳等相关方面。精准农业主要是摒弃传统的人工测量监控并针对植物生长的农田进行无线数据采集精确节点定位及数据的实时无线传输，同时将得到的数据进行误差数据的剔除，在数据可视化方面做到实时监控117’191。

　　2WSN技术及应用

　　2．1WSN组成结构及体系

　　WSN(WirelessSensorNetworks)是由多个无线传感模块组成的无线网络系统，各模块部署方便快捷，价格经济廉价，体积小，便于随实际情况进行移动，以协调配合的方式采集网络涉及区域中物体的信息，并将得到的信息经过处理后发给检测者，操作方便市场前景广阔。在无线传感模块组成的监测网络体统中，节点是被无规则随意放置的，我们可以根据实际生产生活的需要进行相关对象的数据监测，同时还可以对数据进行简单的运算处理。由于各个模块之间是相互联系的，因此可以形成互联的系统。

　　2．2重要的无线通信技术

　　随着各种网络技术的飞速发展，许多通信协议应运而生，由于其价格低廉、消耗小、通讯方便等优点，短距离无线通信技术得以快速发展，并在各行各业发挥着巨大作用。目前，Wi．Fi、蓝牙以及ZigBee技术是应用较为广泛的短距离无线通讯技术【31。331。针对各个技术的不同特点在生产生活的各个领域发挥着巨大作用。

　　(1)Wi．Fi无线通信技术Wi-Fi技术是一种短距离无线通信联网协议，随着科技的发展该技术在生活中应用最为广泛，为人们的生活带来巨大的便利同时促进了人与人之间的网络互连，主要的应用包括智能手机、平板电脑、无线路由等。其工作频率为2．4GHz，最高传输速率可达11Mb／s，最远的通讯距离随着技术的发展达到了100m，并且在传输的覆盖范围方面也取得了突破性的进展。Wi．Fi的数据传输速度快，同时具有很强的兼容性，可以方便地进行网络连接。但是，Wi-Fi的缺点也阻碍了其在工业监测中的应用，由于Wi．Fi功耗大、成本高并且技术标准复杂，目前多数用于个人局域网中。

　　(2)蓝牙无线通信技术蓝牙是在1998年被提出的一种能够短距离通讯的低成本大容量的通信规范，工作频率同样为2．4GHz。蓝牙的主要应用是在较小范围内进行设备的连接，通信距离较短只能是在10m的范围内。在日常生活中，我们应用蓝牙进行移动终端之间的通信，进行文件的轻松传输，在数据共享方面变得更加容易和便捷。蓝牙技术是全世界公开使用，兼容性好是其最重要的特点之一。蓝牙技术不仅仅运用于电脑，还应用于手机及家电等众多种类的电子设备产品，尽管蓝牙存在以上的自身及应用上的优势，但是蓝牙的缺陷也较为突出，通信距离过短、成本较为昂贵并且网络覆盖率低，不适用于大面积无线监测。由于网络技术飞速的发展，蓝牙技术并未长期大规模应用就被新的无线传感技术所代替。

　　3精准农业ZigBee网络节点定位技术研究

　　无线传感器网络由大量传感器节点以自组网形式构成，能够进行实时信息收集、数据通讯和处理，被广泛应用于医疗、军民及农业生产环境监测等方面。随着精细农业地不断被重视以及迅猛的发展，无线传感器网络的应用成为农田环境信息采集、提高管理水平、增加作物产量的必要手段【4ll。在应用农业无线传感器网络进行测量感知的过程中，传感器节点定位是重要环节，大量节点必须确定位置信息才能进行有效的环境信息监测[42l。因此，必须要采取一定的方法来确定网络中各监测节点的位置，进而得到实际地理环境信息。考虑到节点自身能量受到制约、全部配置GPS(GlobalPositioningSystem全球定位系统)成本昂贵及部署环境受限等实际因素，本文只对少数传感器节点通过装载GPS进行定位准确坐标，并利用数学智能算法计算其他未知节点准确的坐标，最终实现对监测环境信息的准确判断，同时降低成本。节点测量定位方法分为测距定位和非测距定位两类【431，非测距类定位依靠网络连通性进行定位，常用质心定位算法、DV-hop算法和近似三角形内点测试法等【44一鄂。优点是受环境影响小，不需要添加额外的硬件，经济性很好，测量方便。但其缺点是测量精度不高，误差大，所需要大量的锚节点【46。481。测距类定位需要测量节点间的距离或者角度定位。与非测距类方法比较，计算量和通信量较大，但精度高，测量准确。

　　参考文献

　　【1】王凤花，张淑娟．精细农业田间信息采集关键技术的研究进展【J】．农业机械学报，2008，39(5)：112一121．

　　【2]Guox，XiangX．TheDesignofFlowerEcologicalEnvironmentMonitoringSystemBased0nZigBeeTechnology[M]．ComputerandComputingTechnologiesinAgricultureⅢ．SpringerBoston。2010：104．

　　【3】张伟，何勇，刘飞，等．面向大田信息采集的无线传感器网络节点设计川．农机化研究，2015(1)：135—139．

　　【4】蒲攀．农田环境检测蓝牙传感器节点的研究与设计【D】．西北农林科技大学，2011．

　　【5]谭泽富，雷国平，蔡黎．GPRS在农业旱情监测系统中的应用研究[J]．农机化研究，2007(11、：187—189．

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