基于WSN的精准农业远程环境监测系统设计*

　　摘要:准确和实时的获取农作物生长的环境信息是实施和推进精准农业的基本前提。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，构建了基于无线传感器网络的精准农业监测系统的设计方案，介绍了系统的总体结构及软硬件设计，提出了三层监测网络结构，详述了无线传感器网络的构建及数据传输过程，结合GPRS网络实现了信息的远程实时交互。实验证明该系统能够实时监测农作物周围的温湿度等相关环境参数的动态变化，为精准农业环境信息监测提供了一种有效的解决方案。

　　关键词:精准农业;无线传感器网络;远程交互;MC13213;监测系统

　　精准农业(PrecisionAgriculture)是现代信息技术发展的产物，其含义是按照田间每一操作单元的具体条件，准确调整土壤和作物管理措施，优化投入，提高经济效益，从而节约土地资源和保护农业生态环境。农作物生长环境信息准确和实时的获取是精准农业实施中的关键一步，也是当前精准农业实施的最大障碍所在［1－3］。随着时代的进步、科技的发展以及人与自然和谐相处的提出，发展精准农业，合理利用每一寸土地，提高土地的利用效率、单位土地的产量和经济效益是我国农业未来发展的必然方向。在国外，精准农业已成为发达合理利用农业资源、提高农产品产量和品质、降低生产成本、改善生态环境和农业可持续发展的最富有吸引力的前沿热点［4］。而我国在这方面的研究时间短、科技投入少、推广范围及效果十分有限，在现有的精准农业项目中，监测参数不全面，实时性差，并且，多采用有线方式对监测网络进行布置，网络设备成本高、布线工作量大、监测设备不易灵活配置、系统可靠性低、维护困难，难以实现对整个种植区域的全面覆盖，不能满足精准农业监测系统的性能要求［5－9］。

　　1监测系统结构

　　设计的精准农业监测系统总体结构如图1所示。监测系统由无线传感器监测网络、无线网关和远程监控中心三部分组成。其中，无线传感器监测网络由多个部署于监测区域的簇网络构成，一个簇头节点和若干簇节点组成一个簇网络。为了得到农作物生长环境的实时信息，在监测区域安放传感器节点。各种农作物的生长发育对土壤水分有不同的要求，缺水不仅影响作物的光合作用，还影响农产品的品质;相反，过分灌溉影响农作物的呼吸进而影响其生长，同时，还造成水资源的浪费，因此，土壤水分含量是精准农业监测的重要指标，通过在土壤中埋放土壤水分传感器，采集并以无线方式传送出土壤水分含量;环境温度的高低直接影响农作物生长速度与发育情况，同时，空气湿度也是影响农作物生长发育的重要因素，空气湿度过高，会抑制植株正常的水蒸腾作用，使植株体因散热不及时而“烧伤”组织或器官，空气干燥不仅影响植株进行光合作用，还易诱发各种病虫害，所以，在农作物周围安放空气温湿度传感器显得尤为重要;光照是农作物进行光合作用的基本条件，为了能及时掌握农作物生长环境的光照强度，在农作物上方安放光照强度传感器实时监测环境光照强度。监测过程中，每个监测区域组成一个簇网络，簇节点采集土壤水分含量、空气温湿度与光照强度，并以无线方式汇聚到簇头节点，簇头节点对数据进行去冗余处理，转发到与无线网关相连的协调器，无线网关把汇集的信息打包处理后，以自定义的数据格式通过GPRS网络传输到远程监控中心;远程监控中心对收到的数据进行处理、显示，从而实现对农作物生长环境的实时监测。

　　2系统的硬件设计

　　2．1传感器节点硬件设计

　　传感器节点由低功耗无线单片机MC13213、信息采集模块、电源管理模块等部分组成。系统节点集成度高、功耗低、体积小、抗干扰能力强、灵敏度高，发射功率为4dBm，通信距离为30m～100m。传感器节点硬件结构如图2所示。

　　2．2无线网关节点硬件设计

　　本系统的无线网关负责监测数据的汇聚、处理、远程传输，承担监测区域与远程监控中心的信息交换任务。网关节点采用电池供电，节点能量有限，因此，需要采用工作电压低、工作电流小并且功耗低的MCU以及GSM/GPRS芯片，同时，网关节点处理的数据量大，需要具备较强的数据处理能力，所以，本系统以Samsung公司推出的32bitARM9微处理器S3C2410为无线网关核心，由于数据传输量大，所以采用华为公司推出的高集成度GSM/GPRS芯片GTM900C。S3C2410处理器拥有独立的16kB指令Cache和16kB数据Cache，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer，8路10bitADC，以及丰富的I/O接口，其最高运行频率可达203MHz［12］。GTM900C芯片和S3C2410的UART1相连，其内嵌TCP/IP协议栈，使用简单，易于集成，工作电压:3．3V～4．7V，工作电流小，功耗低，通过AT指令对其编程，实现SMS、传真信息和语音传输。无线网关硬件结构如图3所示。

　　3系统的软件设计

　　软件设计采用飞思卡尔公司推出的CodeWarrior集成开发环境，结合与MC13213配套的无线点对点SMAC协议，自主开发网络层和应用层，组成监控系统的传感器网络协议栈，实现无线分簇网络的构建、数据的采集、传输、汇聚与处理，结合无线网关，实现本地数据的远程传输和远程监控。

　　3．1传感器网络的软件设计

　　无线传感器网络有三种拓扑结构，分别是:星型拓扑，网状拓扑和簇树结构拓扑。星型拓扑具有组网简单、成本低和电池使用寿命长的优点;但网络覆盖范围有限，可靠性不及网状拓扑结构，一旦中心节点发生故障，所有与之相连的网络节点的通信都将中断。网状拓扑具有可靠性高、覆盖范围大的优点;缺点是电池使用寿命短、管理复杂。簇树结构拓扑综合了以上两种拓扑的特点，其组网方式使ZigBee网络更加灵活、高效、可靠。为了提高传感器网络数据传输的可靠性，减少能量损耗和数据丢包，监测系统采用簇树结构作为网络拓扑结构。本系统采用三层网络架构，分别是:簇头和簇节点组成的底层簇网络，负责环境信息的采集和传输;簇头和协调器组成的中层星型网络，负责环境信息的汇聚以及处理;无线网关独立组成的上层网络，实现数据的远程传输。底层簇网络的构建过程如下:簇头发送建网的信标帧，簇节点接收到该信标帧后，对信标帧进行分析、判断与处理，由于在监测区域内包含个多个簇网络，为了减少发射功率、降低能量消耗、提高数据传输的可靠性，簇节点选择信号强度最大的簇头作为其父节点加入该簇网络，发送入网请求，簇头对接收到的簇节点入网请求帧分析处理，并保存该簇节点的ID，之后再回发同意入网帧。簇网络建立流程如图4所示。中层星型网络以协调器为中心，以底层簇网络的簇头节点为周边节点，协调器负责接收周边节点发送的信息，并对数据进行去冗余处理，从而减少上层网络的数据发送量。信息传输过程如下:首先，簇节点采集环境信息，包括土壤湿度、空气温湿度以及光照强度，并按自定义格式建立信息数据包，其包括:该传感器节点ID、下一目的节点ID、数据类型以及相应数据值，其中，簇节点建立的数据包中的下一目的节点ID即为所在簇网络的簇头ID。簇节点发送数据包，簇头接收到数据包后，修改其中的下一目的节点ID为中层网络的协调器ID，之后再转发数据包，最终实现环境信息的无线传输以及协调器节点对信息的汇聚。信息传输过程如图5所示。

　　3．2无线网关的软件设计

　　无线网关节点中，通过S3C2410的串口实现对GTM900C的AT指令编程，从而实现GPRS网络的连接、数据的传输、网络的维护以及网络的不断线连接，为数据的实时可靠传输提供保障。鉴于数据传输的可靠性以及GPRS网络的覆盖范围，无线网关节点选择中国移动作为服务提供商;由于传输的监测数据由数字和英文字母组成，并且数据传输量大，所以选择text信息传输模式。监测区域数据采集与传输的时间具有不确定性，而GPRS网络在没有数据传递的情况下，一次连接只能维持2s～3s的网络畅通，为了保证数据的实时、可靠传输，彻底改变网络连接的间断性，无线网关以发送心跳包的方式保持网络连接，即在没有监测数据传输时，每隔1s发送一个空字节，从而实现无线网关的永远在线，为随时可能出现的数据传输做好准备。无线网关信息传输流程如图6所示。

　　4远程监控系统的实现与监测实验

　　4．1远程监控系统的实现

　　远程监控中心以MicrosoftVisualStudio2008作为开发平台，以MicrosoftSQLServer2005数据库对数据进行管理，通过调用System．Threading命名空间里的Thread类，实现数据的实时接收、存储以及动态的图形化显示。远程监控中心主要包括以下功能模块:数据接收模块、数据存储模块、数据显示模块。

　　(1)数据接收模块基于Socket编程技术，监听本地IP地址的固定端口，在和无线网关节点连接成功后，根据自定义的数据包格式，接收并提出采集的信息;

　　(2)数据存储模块对接收到的数据包进行解析后，以采集时间和数据种类组成主键，从而把数据存储到数据库相应表格中;

　　(3)数据显示模块对解析后得到的数据，通过第三方Chart控件，对接收到的信息进行分类实时动态曲线化显示。

　　4．2监测实验

　　实验测试选择在郊区一彩椒蔬菜大棚里进行，通过在大棚中安放土壤水分传感器节点、空气温湿度传感器节点、光照强度传感器节点以及无线网关构建监测网络，实时采集环境信息，并传输到远程监控中心存储、处理以及实时显示。其中，传感器节点60个，簇头节点12个，协调器节点1个。彩椒最佳生长环境为:土壤水分67%、湿度65%、白天温度25℃、夜间16℃，光照强度2万5千勒克斯，在后台监控中心，设置相应的变化阈值(土壤水分73%，湿度70%，温度30℃，光照强度3万勒克斯)，当监测结果超过设定的相应最佳参数阈值时，则在报警节点列表中，红色显示参数类型以及节点编号。系统还可以选择需要的参数数据导出到Excel表中，供农业专家进行研究。为了测试系统的性能，在实验过程中人为地对温湿度传感器进行了加热，从实验结果上看温度变化能够很及时地在监测系统中反映出来。精准农业环境监测系统数据查询界面如图7所示。实验结果表明，系统性能稳定，并能实现对土壤水分、温湿度和光照强度的实时监测，完全满足农作物环境信息实时监测系统的性能要求。

　　5结束语

　　将无线传感器网络这一最新的IT技术应用于精准农业监测，具有传统农业监测方式无法比拟的优势。本文提出了基于无线传感器网络的精准农业环境信息实时监测系统的设计方案。详细介绍了系统的总体结构以及各部分的软硬件设计，采用飞思卡尔公司推出的MC13213系统芯片以及配套的SMAC无线协议，并在此基础上设计适用于精准农业监测的网络协议及应用软件，实现监测区域无线传感器网络的构建与信息的传输，结合GPRS，实现数据的远程传输与监测。本系统构建成本低，扩展性强，灵活性大、适用范围广、性价比高，为精准农业环境信息监测提供了一种有效的解决方案。

　　参考文献:

　　［1］张瑞瑞，陈立平．基于传感器网络的田间信息获取系统［J］．计算机科学，2009，36(4A):78－80．

　　［2］聂兵．我国精准农业的实施路径及其方向选择［D］．山东:山东农业大学经济管理学院，2009．

　　［3］吕立新，汪伟，卜天然．基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计［J］．计算机系统应用，2009，18(8):5－9．

　　［4］孟志军，赵春江，王秀，等．基于GPS的农田多源信息采集系统的研究与开发［J］．农业工程学，2003，19(4):13－18．

　　［5］McKinionJM，TurnerSB，Willers，JL，etal．WirelessTechnologyandSatelliteInternetAccessforHigh-SpeedWholeFarmConnectivityinPrecisionAgriculture［J］．AgricultureSystem，2004，81(3):201－212．

　　［6］刘淑珍，苗香雯，崔绍荣．设施农业与农业可持续发展战略［J］．农机化研究，2003，(4):16－19．

　　常超，鲜晓东*，胡颖

《基于WSN的精准农业远程环境监测系统设计*》

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