周达明

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的小型无线传感器网络节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织智能网络系统。这是一种全新的信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用，正逐步深入到人类生活的各个领域，比如军事侦察、医疗护理、建筑结构等等。智能种植也是一类典型的无线传感器网络应用。传感器网络的出现为农业各领域的信息采集与处理提供了新的思路和有力手段。

一、应用背景

该项技术应用前景受各方关注。在美国，英特尔建立了一个无线葡萄园。传感器被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度，以确保葡萄的健康生长，进而获得可观的产量。在此基础上，研究人员建立一种系统，用于监视每一传感器区域的温度，以及该地区有害物的数量。他们甚至计划在家畜上使用传感器，以便可以在巡逻时搜集必要信息。这些信息将有助于开展高效率的灌溉和喷洒农药，进而降低成本，确保农场获得高效益。

国家科技支撑计划项目“西北优势农作物生产精准管理系统”实施以来，主要针对西部地区优势农产品苹果、猕猴桃、番茄等主要农作物，以及西部干旱少雨的生态环境特点开展专项技术研究、系统集成与典型应用示范，成功将无线传感器网络技术成功应用于精细农业生产中。这个实时采集作物生长环境的传感网先进技术应用农业生产，为发展现代农业提供了新的技术支撑。

二、需求分析

①网络性：节点必须能够自组织地形成采集、处理和收发监测数据的多跳无线网络系统，这就要求节点必须要有足够的存储空间和数据采集、处理速度等。

②小型化：无线传感器网络的具体应用要求节点的体积足够小，以保证不会对目标系统本身的特性造成影响。

③低成本：低成本是无线传感器网络节点的基本要求，也是大规模无线传感器网络广泛应用的前提，因此必须保证低成本。

④低功耗：由于设备的体积有限性及无线传感器网络监测环境的特殊性，不可能使用通常的工业电能，只能靠电池长期供电，所以要使用低功耗的器件以节约能源。

⑤稳定性：要求节点的各个部件都能够在给定的外部环境变化范围内正常工作，农机的田间作业和各种天气条件也是系统设计过程中需要谨慎考虑的因素，在硬件出现问题时能够通过软件及时感知并采取积极的措施。

三、系统总体设计

综合分析上述应用特点，借鉴互联网上的经验。设计的农田土壤温湿度监测系统由无线传感器监测网络和远程数据中心两部分组成，无线传感器监测网络由分布在农田中多个智能传感器节点组成，实时采集土壤水分、土壤温度参数，基于ZigBee无线通信协议组建Mesh网络，所有节点数据最终路由到网关节点，由网关节点将全部数据通过GPRS无线通信传输方式转发到远程数据中心，监测网络中的所有节点均采用太阳能供电模式，远程数据中心负责数据的接收、存储和进一步的分析。

四、农田监测网络的关键技术

1.传感器节点

傳感器节点是一个微型的嵌入式系统，具有一定的处理能力和通信能力。传感器节点控制板采用太阳能电源组件供电，支持传感器数据采集，通过串行端口与上位机通信实现程序下载。土壤水分传感器采用FDS系列水分传感器，运用频域方法测量含水土壤混合体的介电常数，获得土壤水分，土壤温度传感器采用基于半导体PN级测量原理的ST10，将不同传感器分别连接到节点控制板的传感器接口，经信号调理后接入A/D通道，通过标定曲线转换得到对应的测量参数値。

2.网关节点

·无线传感器网络数据汇聚。通过异步串行端口连接作为ZigBee网络协调器的无线通信模块，网络协同器功能由板载程序自行完成，族入式Linux只需完成串口数据通信功能。

·GPRS远程数据转发。实现GPRS远程数据通信需要自下而上完成驱动层、协议层和应用层设计；嵌入式Linux内核支持PPP协议和TCP/IP协议，在编译Linux内核时选中支持这些选项；应用层在网络连接建立后，具体实现向远程数据中心转发数据的功能。

·传感器网络数据本地存储。采用了USB接口存储方式，具有容量大、可扩展、热插拔的优点。

·电源输入。供电部分仍采用太阳能电源，由于网关节点能耗较大，选择合适功率的太阳能电源组件，同时还需要进行硬件设计优化，以降低能耗。

五、远程数据中心的关键技术

远程数据中心为一台具有固定公网IP地址的计算机，在其上运行的基站数据管理软件是该部分的核心。

基站数据管理软件实现对分布在农田中的监测节点所采集的定点数据进行时空分析。集成地理信息系统提供制图、数据编辑的基本功能，还支持空间分析和3D分析等高级操作功能。基站数据管理软件主要实现数据的接收、存储和时空分析，根据功能需求，划分成如下模块：

（1）数据接收模块。网关节点与基站之间采用C/S客户端服务器工作模式，监听本地IP地址的绑定端口，在确认客户端即网关节点的连接请求后，接收数据，并根据自定义数据包协议完成数据解析。

（2）数据库存储模块。根据数据的采集时间，采用时段划分的数据存储管理方式，将解析数据存储到数据库对应表格的对应属性字段中。

（3）监测量时间变化分析模块。从数据库表中读取监测量数据，以时间为横轴，绘制监测量随时间变化的曲线，分析监测量连续变化的特性。

（4）监测量空间变异分析模块。与灾害预警应用不同，农田无线传感器网络监测旨在通过节点位置上的环境变量采样估计其他非节点位置上的数据，生成环境变量的空间分布图，目前在每个节点中嵌入GPS模块，成本过高且无必要，因此系统借鉴土壤栅格采样策略，根据预先的部署设计将节点安装在网格中，利用GPS测量节点的精确位置，并将节点名称和位置信息输入到基站数据管理软件中，生成传感器节点图层，用设定时间间隔所接收到的最新节点数据实时更新节点图层中土壤湿度、土壤温度等监测量字段数据，通过空间分析模块实现空间插值。获得任意时段的监测量空间分布。

六、可能存在的问题

（1）对于同一块农田，低功率模块通信覆盖范围小，提高节点部署密度，必然增加投入成本，但有利于保证环境监测变量的采样密度；高功率模块可以较好地保证网络连通性，降低成本，但可能导致采集数据失去空间相关性，因此节点部署需综合分析通信和采样两个因素。

（2）针对农田具体覆盖作物，设计适宜的节点天线放置高度，有利于减少信号传输的路径损牦。

（3）网络拓扑结构设计中，每个作为终端设备的传感器节点在有效通信范围内至少能够与两个以上的作为路由器的传感器节点通信，以保证一条链路出现故障时不会影响到整个网络。

七、结语

分析农田环境的应用需求，基于无线传感器网络技术设计由土壤温湿度监测网络和远程数据中心两部分组成的农田监测系统。广域采集、实时传输的农田信息化管理解决方案是无线传感器网络在农业方面的重要应用示范之一。

我国是一个农业大国，农作物的优质高产对国家的经济发展意义重大。在目前农业自然资源不断减少，国内需求量逐年增加的情况下，农业想要进一步发展，就必须要求创新革新，推动农业的现代化、信息化发展。传感器网络的出现为农业各领域的信息采集与处理提供了新的思路和高效的手段。无线传感器网络是一门新的技术，还有许多课题的研究需要科技工作者坚持不懈的努力。相信在各界人士的奋斗之下，无线传感器网络将会更好、更广地应用于各个行业，造福于社会。