设施农业智能监控分析

1农业控制设施

设施农业是近年来随着农业环境工程技术的突破，迅速发展起来的一种集约化程度很高的农业生产技术。由于设施农业是在人为可控环境保护设施下的农业生产，摆脱了传统农业生产条件下自然气候、季节的制约，以超时令、反季节生产的设施园艺作物为主，不仅使单位面积产量及畜禽个体生产量大幅度增长，而且保证了农牧业产品，尤其是蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供应。设施农业目前已由简易塑料大棚、温室发展到具有人工环境控制设施的自动化、机械化程度极高的现代化大型温室和植物工厂。设施农业在具有高附加值、高效益、高科技含量的设施园艺领域发展迅速，其栽培对象主要为蔬菜、花卉和果树。近年来，设施畜牧业、设施水产养殖也在逐渐兴起。国外对温室环境控制技术研究较早，始于上世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统，现阶段开发和研究集中于计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统、多数据融合技术等[1，2]。目前，世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。鉴于此，本文提出了一种基于无线传感网络的设施农业监控系统设计。

2无线传感网络系统组成

无线传感网络(WirelessSensorNetworks,WSN)是在片上系统（SOC，SystemonChip）、微机电系统(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、无线通信和低功耗嵌入式技术基础上发展形成新型应用技术，融合了传感器技术、信息技术和网络通信技术，由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，其网络拓扑动态变化，具有随机部署、自组织、分布式结构、等特点、智能型、健壮性、成本低、环境适应性强等优点[3，4]。无线传感网络系统由网关/汇聚节点（sink）、传感器节点、管理节点组成。其中，网关节点负责对各节点传感器数据的收集、处理及与外网的通信，作为数据采集的传感器节点响应网关的请求，搜集周围的信息，如温度、湿度等；同时还要兼具有路由功能，通过路由协议直接或者通过作为多跳中转者的节点中转到sink节点，再借助临时建立的sink链路把整个区域内的数据传输到远程中心；管理节点接收各点数据，进行分析和处理。各节点采用撒播、人工埋置等方式随意散落在监控区域，并自组织成网络。

3硬件设计

该监控系统由无线传感器网络、管理节点及各种执行机构等组成，各传感器节点负责数据的获取及传送，管理节点实时显示获得的数据并进行相应处理，结合农业专家系统对相关量进行控制。

3.1传感器节点

传感器节点之间通信采用基于Zigbee技术的CC2530芯片实现（图3所示）。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的一种短距离的无线通信技术，具有低功耗、低速率、低成本、低复杂度等特点。Zigbee遵循开放系统互连（OSI）参考模型，协议栈包括物理层、媒质访问控制层、网络层和应用层，支持自组织网络技术；通讯距离从标准的75m到2km，并且支持无限扩展；工作频率为2.4GHz和868/928MHz，主要面向消费电子、家居和楼宇自动化、工业控制、计算机外设、医疗护理等领域的应用[5]。CC2530是TI公司生产的一款基于具有SOC（片上系统)，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准，芯片集成了2.4GHz直接序列扩频RF收发器、工业级增强型805l微处理核、高达256KB闪存、8KBRAM、8通道12位A/D转换器，2个USART接口，21个通用接口GPIO等，四种供电模式，具有较高的无线接收灵敏度和抗干扰性能，传输距离大于75m，最高传输速率250Kbps。CC2530工作温度为-40℃～+125℃，工作电压2.0～3.6V，休眠时功耗电流可降低到0.6μA[6]。电源模块由可充电电池、太阳能电池和电源管理单元构成，确保各节点长时间稳定工作。

3.2网关/汇聚节点

网关/汇聚节点设计如图4所示，RS232接口与DM9161芯片[7]连接，实现网络的接入；显示模块用于通信流量、网络状态监测，便于网络安装调试和故障诊断。

3.3检测参数及传感器节点的设置

设施农业中检测的参数有温度、湿度、光照度、CO2、土壤水分、土壤温度、土壤养分、各种被控对象的开关量等。由于无线传感网络采用电池供电，传感器选择时要考虑功耗等因素；另外，不同参数在测点分布及数量配置不尽相同，在设置节点时可适当整合，在满足要求的情况下提高复用率，具体如下：①温、湿度节点：用于温室温、湿度监测，温度传感器选用单总线数字式DS18B20，测温范围为-55℃～+125℃，精度±0.5℃，分辨力最高达±0.0625℃，响应时间＜1s。湿度传感器选择频率输出湿度模块HF3226，HF3226采用湿敏电容HS1101设计制造，具有宽量程：10～95%RH，性能稳定，体积小，比例线性的频率输出，精度±5%RH，工作温度范围–40～80℃。②光照度、CO2节点：传感器采用PD-LL，测量范围0-20000lux，精度：±2%。CO2传感器选择TGS4160固态电化学型气体敏感元件，测量范围：0～5000ppm；加热器电压：5.0±0.2VDC；加热器电流：250mA；加热器功耗：1.25W；使用温度：-10～＋50℃。③土壤温度、水分、养分节点：土壤水分传感器选择AQUA-TEL，适用于测量任何类型土壤的体积含水量，测量范围：0-100%，误差<3%，重复性误差<1%；土壤养分的测定包括土壤有机质、pH值、氮、磷、钾以及交换性钙和镁的检测，可采用离子、生物传感器。④开关量节点：包括天窗、湿帘、喷灌等状态检测，提供控制系统辅助信息，可用接近开关或光电开关实现。

4软件设计

4.1监控系统软件

监控系统采用模块化设计，基于VC++6.0编写，采用数据库操作方式实现节点数据存储和读取，并对相应参数进行控制。系统分为通信模块、数据显示模块、数据库管理及历史记录查询模块、农业专家决策系统和控制模块。

4.2传感器网络节点程序设计

传感器节点的主要工作是数据采集、网络连接并承担部分路由功能，保持与临近节点的通信，检测链路状态等。为降低网络的平均功耗、实现自适应组网，可采用LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)自适应的分簇拓扑算法[8]，选举产生簇头，由簇头簇区域内的数据收集和融合并传送至汇聚节点，负责路由选择等工作。簇头可动态产生。

5结束语

无线传感器网络融合了传感器技术、信息技术和网络通信技术，各传感器分工协作，自主组网，网络拓扑动态变化，具有随机部署、自组织、分布式结构、智能型、健壮性、成本低、环境适应性强等特点。ZigBee是一种新兴的短距离、低成本和低功耗的无线网络技术，相比于WiFi、Bluetooth等无线网络系统，ZigBee协议的复杂度大大降低。基于ZigBee技术的无线传感网络，具有组网简单、费用低、易扩展、性能稳定等优点。文章提出了一种基于无线传感网络技术的设施农业监测系统解决方案，顺应设施农业环境监控自动化、智能化和网络化的发展趋势，具有广泛的应用前景和推广价值。如果对传感器节点稍加修改，重新配置，可应用于环境监测、医疗、工业自动化等领域。