无线传感技术在设施农业中的应用
摘要：随着我国农业的持续发展，先后出现了一系列高精尖农业生产技术，能够智能、精准地完成包括蔬菜大棚温度监测等在内的众多工作，从而有效提高了农作物产量。在这一背景下，本文以无线传感网络技术为主要研究对象，在对无线传感网络系统进行简要介绍的基础上，尝试针对蔬菜温室大棚设计一种无线传感网络，并对其在设施农业中的实际应用进行简要分析，为相关研究人员提供一定的参考。
关键词：无线传感网络技术；设施农业；智能控制；温室大棚
目前，国内外有众多研究人员通过对无线传感网络技术展开研究，证明其能够有效为设施农业的可持续发展提供重要的技术支撑，有助于农产品生产效率的大幅度提高，全面提升设施农业管理水平。但是，由于无线传感网络技术在我国的发展尚处于初级阶段，因此在其应用过程中还存在部分问题亟待解决。
一、无线传感网络系统概述
现阶段，绝大多数研究人员认为所谓的无线传感网络指的就是一种以片上系统及微机电系统为基础，融合了无线通信技术以及功耗较低的嵌入式技术等在内众多现代科学技术而发展生成的新型应用技术。其主要是通过在检测区域当中布设各种微型传感器，通过运用传感器技术及信息技术实时采集温湿度等各项相关信息数据，并搭配使用网络通信技术将原本分散的微信传感器节点相互连接，进而构成一个完整的多跳自组织网络[1]。在路由协议的作用下，将多调跳中转者节点中转至Sink节点上，最终向远程控制中心传输采集获取的数据。由管理节点负责对数据进行接收以及分析处理。图1即为无线传感网络系统结构。
二、蔬菜温室大棚无线传感网络的设计
（一）硬件设计
1.传感器节点
以蔬菜温室大棚为例，在设计无线传感网络的过程中，在硬件部分的传感器节点设计上，尝试运用UNIT无线通讯协议，从而使得各传感器节点之间能够实现自由通信传输。该种通讯协议采用了433MHz和470～510MHz等频段，穿障能力较强，并且传输距离至少可以达到500m，可以同时支持包括星型、树型等在内的众多网络拓扑，构建超过1000个节点的大规模应用网络。此次设计使用的智能芯片是一种采用片上系统与UNIT无线通讯协议，实现包括工业级增强型微处理核、2.4GHz直接系列扩频RF收发器等高度集成化，拥有超过20个通用接口且可以同时支持4种供电模式，无线接收灵敏度较高，不易受到外界因素的干扰影响，传输距离在75m以上，最高传输速率可以达到250Kbps的芯片。其工作温度最低可达到-40℃，最高可达到125℃，工作电压在2.0～3.6V。并且为了能够有效保3.传感器节点在设施农业生产中，温湿度、光障其可以长时间运行，在电源模块当中同时使用了可充电电池及太阳能电池，并搭配使用电源管理单元。
2.网关/汇聚节点
在设计网关/汇聚节点时，选择使用具有功耗较低但性能较高特性的CMOS芯片，即DM9161，其即可以满足10M以太网传输，同时也支持100M以太网传输。在将其与相应通讯接口进行直接连接下，成为网络物理层接口，监测得到的通信流量及网络状态相关数据信息则直接在显示模块当中实现可视化呈现，为后期安装调试无线传感网络以及诊断网络故障提供便利。照以及土壤的水分和养分含量等各项参数均会对农作物的生长以及设施农业自身发展起到相应的影响作用。考虑到无线传感网络中使用了电池供电方式，因此，在设计传感器时还需要对包括功耗等在内的众多因素进行充分考量[2]。此外，由于各参数测点在分布及数量配置上存在一定的差异性，因此，在节点布设的过程中应结合实际情况进行适当整合，使得传感器节点能够得到重复循环使用，以有效降低设计成本。例如，在温度节点设计上，可以采用单总线数字式DS18B20温度传感器进行温湿度的实时、精准测定。该温度传感器的测温范围在-55～125℃，精度误差控制在±0.5℃，响应时间不超过1s，最高分辨力可以达到±0.0625℃。而在土壤水分传感器设计上，则可以通过选择使用适用范围较广的AQUA-TEL，其测量范围在0%～100%，误差不超过3%，而重复性误差更是低于1%。通过利用生物传感器或是离子传感器便可以有效地对土壤的有机质含量、酸碱度及氮磷钾含量等进行实时、精准测定。
（二）软件设计
1.监控系统软件
在无线传感网络的软件设计方面，通过参考其他相关研究资料，选择运用模块化的设计理念，通过利用VC编程软件及SQL数据库软件，使得监控系统中各项节点数据均能够得到及时存储及准确读取，所有参数均能够得到有效控制。该监控系统主要由通信及显示模块、数据采集与数据库管理、查询模块和控制模块共同组成，并利用相关网络通讯协议及网络技术将监控系统与农业专家决策系统进行有机连接，从而使得在温室大棚运用无线传感网络技术下，借助各传感器获取的温湿度数据、土壤养分数据等，数据库将对其展开深入分析研究并整合农业专家的决策意见，最终真实反映温室大棚农作物的生长情况以及喷灌、施肥等实际情况，并对温湿度调控等提出合理化建议。
2.主程序设计
为了使平均网络功耗降至最低，真正实现自适应组网，在传感器网络节点主程序设计中，该文使用了基于LEACH的自适应分簇拓扑算法，在对簇头进行有效确定的基础上，负责对簇区域中的各项数据进行搜集整理与有效融合，最后直接将其传输至汇聚节点中，完成选择路由等各项相关工作。具体来说，当完成硬件的初始化之后，需要对无线通讯协议进行初始化并搜索网络，确定加入网络后进行开中断，从而使得传感器节点得以进入休眠状态。当被唤醒后，立刻进行关中断操作，并确定事件句柄，此时需要通过对各项关键监测数据进行采集及传输，在此过程中会自动动态生成簇头，一旦簇头丢失，需要重新选举簇头并对路由表进行更新，确定事件句柄后再次开中断即可。
三、无线传感网络技术在设施农业中的实际应用
（一）无线传感监控体系
1.体系结构
在将无线传感网络技术应用于设施农业的过程中，农户需要将UNIT无线传感器装设在温室大棚当中，并将UNIT无线传感器作为节点，从而依托网络技术建立一个全覆盖的无线传感数据网。在普通花卉或是果蔬温室大棚中，则需要建立包括温湿度及光照等在内的基本传感节点；而对于无土栽培及水产养殖等特殊农业大棚，则需要在大棚中设置温度、溶解氧及酸碱度等在内的传感节点，并专门配置液晶显示屏及各项生理传感器，用以实时监测大棚中的有害气体、水浊度、土壤营养成分以及蒸腾量、果实与茎秆的膨大和生长速度等[3]。通过依照相关标准，在规定位置处设置一定数量的不同类型的无线节点传感器后，在对各项重要的环境参数、生理参数等进行及时搜集整理后，直接传输至农业智能专家系统中，交由农业专家进行科学、系统分析，从而准确了解大棚内各项农作物的实际生长情况与整体环境情况，判断出具体的种养问题。最后利用无线网络以短信等方式告知设施大棚农户及当地农业作业者，为其提供必要的技术咨询与指导服务。图4为利用无线传感网络技术建立的设施农业监测系统。
2.应用价值
通过利用无线传感网络技术及UNIT通信协议，并将大量不同类型的传感器节点设置在农业大棚中，单节点传输距离最少能够达到2km，将传感器节点进行相互连接，能够形成转发监控数据的多跳无线网络，由此有效扩大对设施农业的监控范围。此外，无线传感技术与UNIT通信协议的灵活运用，使得设施农业监测系统具有较高的容错特性，且系统软件及硬件的鲁棒性相对较高，即便在高温、低温或是高压等特殊环境下，同样不会受到干扰影响，可以动态精准地监测农业大棚中的各项环境参数及农作物的生理参数[4]。通过利用以数据为中心的网络，根据具体的信道分布情况实时采集关于设施农业的各项重要参数并对其进行汇总整理，可以在保障数据传输稳定性与及时性的基础上，为提高设施农业管理水平发奠定坚实的基础。此外，该文所设计的无线传感网络中，各UNIT节点工作电流峰值均不超过30mA，其在处于休眠状态时电流不超过10μA，如果将采样频率设定为每隔5min工作3s，则该系统使用2节800mAh电池能够持续不间断地工作3个多月，在对节点传输距离进行优化配置后，同样可以达到有效控制无线传输功耗的效果。通过应用无线传感网络技术，农户可以根据其获取的各项重要参数掌握农作物的具体生长情况及设施栽培成效，尤其是系统智能诊断种养问题，并集合农业专家决策的功能，可以有效达到防范温室灾害，避免出现作物减产减收，从而帮助农户达到经济效益最大化的根本目的。
（二）技术应用存在的问题
在应用过程中笔者发现，目前有部分传感器如二氧化碳传感器及通讯模块的投入成本较高，对于广大农户而言，只有当应用无线传感网络技术获得的经济效益比投入成本高时，才会选择在设施农业生产中应用这一技术。因而未来在将该技术应用在设施农业中时，还需要重点加强对成本控制的深入研究，采取优化传感器选型或是对其进行节能改造等方式，以降低成本。此外，目前我国绝大多数农业大棚并不专门提供电源，因此，在应用无线传感节点时需要使用电池对其进行长期供电，如何有效延长无线传感节点供电时长，并尽可能减少节点能源消耗也是影响该技术在设施农业领域中应用的关键问题。
四、结语
该文针对农业温室大棚设计了一种无线传感网络，通过利用UNIT无线通信协议以及各种不同类型的传感器节点，对网络系统软件和硬件进行合理设计，证明无线传感网络技术能够有效防范温室灾害，帮助农户动态化监控温室大棚环境及作物生长情况，具有强大的经济效益。但其在未来的应用过程中，需要集中解决成本较高、能源消耗大等问题。
参考文献：
[1]张钦.设施农业中无线传感网络的设计与应用[D].镇江：江苏大学，2017.
[2]张科军，熊艳艳.无线传感网络技术在设施农业中的运用[J].乡村科技，2016（33）：60-61.
[3]张新.无线传感网技术在现代设施农业中的应用开发[J].安徽农业科学，2016（7）：296-299.
[4]郭亮.基于嵌入式技术和无线传感技术的大棚温室参数监测系统[D].沈阳：沈阳工业大学，2012.
作者：范士建 单位：山东省济南市长清区文昌街道办事处农机站
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