无线传感器在农业环境监控中的应用

龚光军，谢 暴，徐 娟

(1.安徽职业技术学院机械工程系,合肥 230051； 2.合肥工业大学计算机与信息学院,合肥 230009)

无线传感器在农业环境监控中的应用

龚光军1，谢 暴1，徐 娟2

(1.安徽职业技术学院机械工程系,合肥 230051； 2.合肥工业大学计算机与信息学院,合肥 230009)

采用无线传感器网络监控农田环境可以为精准农业提供决策支持。结合传感器网络、移动网络与远程数据库技术，设计和建立一个能够同时对大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、水温、光照强度、CO2体积分数、pH值等8个环境参数进行监测的农田环境监测平台，通过对系统整体结构以及软硬件的设计，实现了对农作物各种生长情况信息的实时采集、传输、远程监测和预测分析。通过各项功能和性能测试，系统数据服务稳定可靠。

传感器网络；环境监控；农业

0 引言

在精细农作和现代化的农业生产中，怎样利用信息技术，采用精细动态监控的方法，针对农作物的实时生长情况来管理，更好地收集农作物生长的周边环境信息，从而达到精准农业对信息收集和感知的需求，提高资源的利用率，促进生产力水平，是当前精准农业的关键问题[1-2]。与传统的监测系统相比较，无线传感器网络在各种恶劣环境监测场合均具有其特殊的优势[3]。通过应用无线传感器网络技术，能够为农田信息的实时采集、传输、处理、分析提供集成化解决方案，实现了农业生产在各个时期的精准管理和预测预警，具有广阔的应用前景和研究意义[4]。

近年来，大量学者已经开展了无线传感器网络技术在农田环境监测领域的应用研究。刘卉等[5]设计了一种基于规则网格的农田环境监测传感器节点部署方法，为农田环境监测应用中传感器节点的合理布局规划提供了理论依据。孙彦景[6]等研发了一套基于物联网关键技术的农业信息化系统，实现了农业的智能化和自动化运作。何勇等[7]对农业物联网的3个层次分别展开了系统分析，提出了农业物联网的研究方向，展望了农业物联网系统在现代农业中的发展趋势。徐兴等[8]针对山地橘园里面生长环境气候复杂多变以及时空变异大的情况，通过对园内无线监测系统的优化和试验，实现了橘园各种生长环境信息的监测。

这些学者的研究多关注于无线传感器网络架构的设计与实现，也就是说更多的在于验证农田环境中各类环境参数的采集、传输和远程监控功能。传感器网络在传感器节点采集数据时往往会有一些奇异数据被发送和传输到系统服务器内。事实上，为了更准确地表达环境参数的变化情况，对于这些数据，在一般的使用过程中，只需进行滤波处理即可，而在其他一些比较特殊的应用中，却需要特别关注与分析。对于这方面的要求，则需要系统提供对所有传感器数据的分析功能。

鉴于此，本文结合传感器网络、移动网络与远程数据库技术，设计和建立一个能够同时对大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、水温、光照强度、CO2体积分数、pH值等8个环境参数进行监测的农田环境监测平台，实现对农作物生长情况信息的实时采集、传输、远程监测和分析，为应急指挥做好基础数据储备，并找出环境变化给农作物生长带来影响的规律，为农业种植生产的决策提供了科学依据。本文研究结果应用在江苏常州武进区龙潭湖太阳能现代温室，性能可靠，同时取得了良好的经济效益。

1 系统总体结构

基于无线传感器网络的农田环境监测系统与工业物联网有本质区别。归纳起来，必须包括以下特性：

1)结合农田环境信息和作物生长信息，系统需满足见表1所示的环境信息测量项目与范围，并保证其可靠性。

2)拓展性强，可随时根据需要加减传感节点的数量和位置。

3)系统性能稳定，监测范围较广，能量消耗低，运行时间长，200 m以内距离节点数据传输稳定，满足精准农业中对环境监测的要求。

4)系统铺设需简洁方便，且不需要铺设者有过高的专业技术，能适应各种植被覆盖的恶劣农田环境。

表1 系统测量的环境参数与范围

基于以上分析，本文设计的系统由4部分组成，分别为传感器节点、协调器节点、GPRS模块、远程监控平台。由于农田环境内可能存在较多的植被障碍物，且传输距离较远，选择树状拓扑结构作为网络的拓扑结构，在网络中设置若干个传感器节点和路由节点以满足测量要求，设置1个协调器节点与路由节点进行无线通讯并接收数据，如图1所示。

传感器节点：由终端节点(End Device)与路由节点(Router)构成。终端节点负责采集空气与土壤的实时温度、光照强度、湿度以及CO2的体积分数等环境参数，并发送到路由节点；路由节点则具备数据采集与数据转发的功能。

协调器节点：负责ZigBee传感器网络的初始化，接受所有节点发送来的环境数据，并根据不同要求将这些数据在本地处理后，经GPRS模块发送给远程监控平台。

GPRS模块：负责接收从协调器节点发来的串口数据，对数据进行TCP/IP封装后，经过无线网络转发到Internet，实现数据的远距离传输。

远程监控平台：由数据库服务器和中央计算机两部分组成，在服务器上部署相关服务，用于连通远程终端成员提供数据服务。远程监控平台首先要负责进行系统的用户管理，实现用户添加、查询和删除功能；其次，负责数据的存储和显示，并将接收到的数据绘制成为动态曲线，通过分析后对环境参数采取阈值设置，如果出现采集数据超出设置范围的情形时提示报警信息，从而实现实时监控农作物的生长环境，最后要负责在互联网上发布数据信息，实现“底层传感器—网络—远程监控”的结构。

图1 系统架构图

2 系统设计与实现

2.1 硬件设计与实现

传感器网络系统采用基于Zigbee的通信协议，载波频段为2.4 GHz，节点间距约为50～100 m，每个子网由20～40个数量不等的传感器节点组成。由于系统工作环境为室外农田，天气复杂多变，因此，使用4节1.5VAA电池供电，并利用稳压芯片使工作电压稳定在3V，协调器节点与路由节点由太阳能供电和干电池供电，保证其工作电压为12 V；节点MAC层使用CSMA/CA协议，网络层则使用洪泛协议。

传感器节点由4个模块组成，分别为传感器模块、无线通信模块、处理器模块和电源模块。传感器模块负责数据采集与数据转换，无线通信模块负责无线通信，交换控制信息等。处理器模块负责存储和处理各种数据，电源模块负责为系统运行提供能量。图2为传感节点的组成框图。

协调器节点的硬件结构如图3所示，主要包括3个模块，即串口模块、无线收发模块和电源管理模块。其中，无线射频模块接收由传感器节点发送过来的数据，然后对其进行简单的数据处理，最后将数据传输给串口模块。串口模块除了与GPRS模块进行通信，我们还需要频繁的使用串口模块进行系统的调试。本文中选用RS232作为串口模块的电器标准协议。

图2 传感器节点框图

图3 协调器节点结构框图

本文设计出的系统各节点硬件实物如图4所示。图4(a)图为传感器节点，集成了数显式温湿度一体传感器，数字式光照传感器，pH复合电极以及MG811型CO2体积分数传感器，可以实时采集大气温度和湿度、土壤温度和湿度、光照强度、CO2体积分数、水温和pH值等环境数据，并且转发数据。图4(b)为协调器节点，它是整个无线传感器网络的协调点，主要完成搭建和管理ZigBee无线网络的一些任务。

(a)协调器节点

(b)传感器节点图4 系统各节点硬件实物

系统被部署在江苏常州武进区龙潭湖太阳能现代温室中，如图5(a)所示。为了使通信质量得到保证，将协调器节点与传感器节点安装在长约2 m的支架上，如图5(b)所示。因为距离比较远，传感器节点发送数据到网关时采用了多跳方式，试验过程中跳数最多为5，通信距离约为300 m。

(a)温室环境

(b)节点部署图5 系统部署在江苏常州武进区龙潭湖太阳能现代温室

在温室内选取中部较为空旷的位置，安装协调器节点与GPRS模块，选择位置主要考虑到协调器节点与所有传感器节点进行无线通信，所以选择较为中间的位置。另外，协调器节点需要进行多次调试，因此还需考虑位置空旷、方便操作的位置进行安置。而传感器节点则按照所测量的参数不同，分别分布在温室内的各个地区。

2.2 软件设计与实现

系统的软件总体架构包括上位机软件和下位机软件两部分。其中，下位机软件传感器节点的主要功能是控制所搭载的传感器进行数据的测量，将数据发送至协调器节点，除此之外，还需做到发送时间间隔的可调性。同传感器节点的硬件结构类似，传感器节点的程序设计也分为3个部分，分别为传感器测量程序、数据传输程序与电源管理程序。

系统下位机程序在硬件完成后已烧写至协调器节点和传感器节点中，在此不做赘述.系统上位机软件即农田环境远程监控平台主要包括的功能有：用户管理、节点管理、实时监测、历史数据查询、预测分析等。

其中实时监测是其中最核心的功能界面之一，如图6所示。界面左侧是一张放大的曲线图，用于显示参数图像。界面右侧是设置信息框，用户可以选择节点一、节点二、节点三的任意一个或几个节点，也可以选择系统内8种参数中的任一种参数。在图中可看到，不同的曲线图分别显示不同节点的温度参数的实时数据。在一张曲线图中，Y轴数据为该参数的值，X轴数据为监测到该参数的时间。用户不仅可以看到一个终端节点在一段时间内的监测数据变化，也可以通过纵向对比，直观地看到在某一时刻不同的终端节点的数值差别，方便用户快速找出环境参数可能存在的问题。

图6 实时监测界面

3 结语

本文提出了一个将环境传感器、GPRS模块、传感器网络融为一体的环境监控系统，用于采集环境信息和提供实时环境监控和应用服务。每个传感器节点的信息远程传输、存储于远程数据库并用于远程监控软件的各项数据查询和分析服务，使用户可以随时登录远程监控平台掌握农田环境的实时状态

变化，并用于走势预测和预警。相较于传统环境监测系统，本文提出的系统更易于安装和维护。系统已被部署在江苏常州武进区龙潭湖太阳能现代温室，通过4个月的各项功能和性能测试，数据服务稳定可靠。

[1] Paek J,Hicks J.Coe S,et al.Image-based environmental monitoring sensor application using an embedded wireless sensor network[J].Sensors,2014,14(9):15981-16002.

[2] Leea W S，Alchanatis V,Yang C.Sensing technologies for precision specialty crop production[J].Computers and Electronics in Agriculture,2010,74(1)：2-33.

[3] Kelly S D T,Suryadevara N K,Mukhopadhyay S C.Towards the implementation of IoT for environmental condition monitoring in homes[J].IEEE Sensors Journal, 2013，13(10)：3846-3853.

[4] Sung W T，Hsu C C.Intelligent environment monitoring system based on innovative integration technology via programmable system on chip platform and zigBee network[J].IET Communications,2013,7(16):1789-1801.

[5] 刘卉，孟志军，徐敏，等.基于规则网格的农田环境监测传感器节点部署方法[J].农业工程学报,2011,27(8):265-270.

[6] 孙彦景，丁晓慧，于满，等.基于物联网的农业信息化系统研究与设计[J].计算机研究与发展,2011,48(增刊):326-331.

[7] 何勇，聂鹏程，刘飞，等.农业物联网与传感仪器研究进展[J].农业机械学报,2013,44(10):216-226.

[8] 徐兴,洪添胜,岳学军，等.山地橘园无线环境监测系统优化设计及提高监测有效性[J].农业工程学报,2013,29(11):147-155.

The Application of Wireless Sensor in the Agricultural Environment Monitoring

GONG Guang-jun，et al.

(DepartmentofMechanicalEngineering，AnhuiVocationalandTechnicalCollege，Hefei230051,China)

Using wireless sensor network monitoring farmland environment can provide decision support for precision agriculture.Based on the sensor network，mobile network and the technology of remote database，this paper designs and establishes a farmland environmental monitoring platform，which could monitor eight environmental parameters such as atmospheric temperature，atmospheric humidity，soil temperature，soil moisture，water temperature，light intensity，carbon dioxide concentration，and pH value.Based on the design to the overall structure and the design to hardware and software of the system，it realizes real-time collection，transmission，remote monitoring and forecast analysis to each information condition during the growth of crops.Through various functional and performance testing，it shows that the data service of this system is stable and reliable.

sensor network；environmental monitoring；farmland

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.024

2016-07-04

安徽省质量工程项目(2013jyxm383)

龚光军(1981-),男(汉),湖北天门,讲师，硕士 主要研究数字化设计与制造。

TP277.2

A

1009-8984(2016)04-0092-04