精准农业无线传感器网络的研究与实现

　　摘要:针对有线通信组网布线众多、工程量大、影响耕种与灌溉等问题，将无线传感器网络(WSN)技术应用于精准农业作物生长环境监测系统中。采用高性能、低功耗的JN5148作为主处理器，构建了采集土壤水分、温度、PH值、光照度等数据的传感器节点，路由节点和协调器节点;采用OPC接口程序技术实现了协调器与上位机之间的通讯;采用ZigBee无线传感技术组成了精准农业作物生长环境监测系统。实践结果表明，该系统在生产应用中运行正常，验证了设计与开发的合理性，解决了对目标监测区域农作物生长环境因素大范围采集和传输问题。

　　关键词:精准农业;无线传感网络;OPC;协调器

　　0引言

　　随着农业产业化结构的调整，精准农业作为一种重要的现代农业生产形式和管理模式已经成为当今世界农业发展的一种趋势。精准农业的核心思想是获取影响农田作物产量和作物生产的环境因素(如土壤水分、温度、光照度等)，分析影响作物产量差异的原因，对作物栽培管理实施定位，改定量投入为变量投入［1］。在传统农业中，人们主要通过人工测量的方式获得农田作物生长信息，过程中需要消耗大量的人力。如果在农田中铺设有线网络，一方面不便于农田的耕作，另一方面成本也较高。而无线传感网络由于应用成本低、网络结构灵活、数据传输距离远［2］，且使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，可精确获取作物环境和作物生长信息［3］。本研究根据现代农业生产特点与产业结构调整要求等情况，结合无线传感网络的特点，设计一个切实可行的农田无线传感器网络系统。

　　1系统结构

　　系统由无线传感网单元、实时监控单元两部分组成［4］，其结构如图1所示。

　　无线传感网单元直接面向现场，该单元是由数个传感器节点采集农作物生长环境信号，经由路由转发到网络协调器，再由网络协调器上传给上位机的［5］。传感器节点实时监测区域的土壤水分、PH值、温度、湿度、光照度等环境参数，部分传感器节点可以同时实现执行机构的动作控制与状态采集。传感器节点与对应网络中的路由节点通信，各路由节点通过单跳或多跳的方式最终完成和协调器节点的数据通信，协调器节点通过Modbus协议与现地监控计算机进行有线数据通信，上传采集的数据信号，现地监控计算机最终形成控制信号对网络中控制节点或者其他执行器的动作进行控制，实现对作物生长的最优闭环控制。

　　2硬件系统设计

　　硬件系统主要由传感器节点、路由器节点、协调器节点组成。传感器节点主要实现植物生长信息采集，必要时进行执行机构的状态采集和控制;路由器用于数据转发，增加监测覆盖面积;协调器节点用于管理无线传感器网络和上位机通信。这3种节点都采用JN5148芯片作为它们的处理核心，基于IEEE802．15．4标准，包括JENNET的JenNet-IP和ZigBeePＲO应用的无线传感器网络应用的JN5148无线微控制器，集成了一个32-bitＲISC处理器、4-32MHz可调主频、大容量存储、超低功耗和高性能的无线ＲF，芯片同时支持的网络协议栈和用户应用程序开发和进行丰富的用户外设组合。

　　2．1传感器节点

　　传感器节点电路负责采集和上传土壤水分、温度、PH值和光照度等数据，必要时还可以利用JN5148的遥控功能进行相关执行机构的动作控制与状态采集，是精准农业中一个至关重要的部分。该节点电路设计主要有电池板的设计、射频板的设计与传感器的连接电路设计［6］，主要由电源模块、数据采集模块、预处理模块、发送模块组成，传感器节点总体结构图如图2所示。

　　2．2路由器节点

　　为了解决远距离通讯，路由节点使用的是高功率模块，路由节点使用交流电源供电。除此之外，在ZigBee网络中路由器节点和传感器节点的硬件结构基本一致，只是软件不同，所以系统中的路由节点是将传感器节点稍加改造而成的，在传感器节点硬件基础上，去掉传感器连接，将编译好的程序下载到路由节点的JN5148模块，即可成为路由节点。

　　2．3协调器节点

　　协调器节点在整个无线传感监控网络中起到一个承上启下的作用，该节点的核心是JN5148模块，其与上位机通信是通过Modbus协议进行的，其硬件结构如图3所示。

　　3软件程序开发

　　精准农业无线传感网络中包含协调器节点、路由节点和传感器节点3种节点类型，协调器在初始化网络和发起组网的时候起到重要作用，路由节点主要用于增加通信距离和转发数据，传感器节点主要用于采集数据和控制信号的输出，协调器节点和传感器节点软件开发流程如图4所示。

　　3．1协调器程序

　　协调器节点上电后进行系统初始化，选择网络所使用的频道通道，尝试建立网络［8］。网络建好后，系统给加入网络内的路由节点分配地址，运行协议栈任务。之后系统接受路由节点的数据，将路由节点上传的数据放入缓冲区，之后通过Modbus协议将数据上传给监控计算机。

　　3．2传感器节点程序

　　节点上电后进行系统初始化，发送网络申请加入信号加入无线传感网络。加入网络后，系统开始运行协议栈任务，之后采集各个传感器的数据放到数据缓冲区，封装数据，通过无线射频模块将封装的数据传给路由器。4OPC接口程序设计为了使该系统与大型计算机监控系统集成，系统协调器中实现Modbus通讯协议，可由其他控制器(如PLC)或第三方软件(如组态软件)直接与该系统通讯。为了使第三方软件更容易该系统读取数据，本研究自主设计了从协调器获取数据的OPC服务器。OPC作为一项工业技术规范和标准，使软件和各种硬件设备驱动程序的数据交互变得透明［10-11］。协调器节点通OPC接口程序与上位机通讯的结构图如图5所示。

　　结束语

　　本研究所设计的系统实现了农作物相关信息的传感器数据监测无线实时传输，解决了一般农业智能化灌溉系统中作物生长环境与生长因素参数监测手段与方法，为农业精准灌溉和优化灌溉提供了依据和保证。实践表明，该系统在生产应用中运行正常，验证了设计与开发的合理性，解决了对目标监测区域的土壤水分、温度、光照度等影响农作物生长的因素大范围采集和传输问题。为了进一步升级系统，未来可以结合无线传感控制器JN5148和TOF测距技术完成移动节点的精确定位，从而实现无线传感器任意移动安置和测量区域的动态智能对应关系。针对精准农业中农田分布区域广、测点多的特点，在固定无线传感节点组网的基础上，再结合重合节点最大化的相关算法模型，使放置的路由节点数量最小化，实现传感网络节点的动态优化配置。

　　参考文献(Ｒeferences):

　　［1］柳平增，孟祥伟，田盼，等．基于物联网的精准农业信息感知系统设计［J］．计算机工程与科学，2012，34(3):137-141．

　　［2］司海飞，杨忠，王珺．无线传感器网络研究现状与应用［J］．机电工程，2011，28(1):16-20．

　　［3］BUＲＲELL，BＲOOKET，BECKWITHＲ．Vineyardcomputingsensornetworksinagricuralproduction［J］．IEEEPervasiveComputing，2004，3(1):38-45．

　　［4］史兵，赵德安，刘星桥，等．基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统［J］．农业工程学报，2011，27(9):136-140．

　　夏朝俊1，顾春新2，李彬1*