設施農業智慧監控分析論文
1農業控制設施
設施農業是近年來隨著農業環境工程技術的突破，迅速發展起來的一種集約化程度很高的農業生產技術。由於設施農業是在人為可控環境保護設施下的農業生產，擺脫了傳統農業生產條件下自然氣候、季節的制約，以超時令、反季節生產的設施園藝作物為主，不僅使單位面積產量及畜禽個體生產量大幅度增長，而且保證了農牧業產品，尤其是蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供應。設施農業目前已由簡易塑料大棚、溫室發展到具有人工環境控制設施的自動化、機械化程度極高的現代化大型溫室和植物工廠。設施農業在具有高附加值、高效益、高科技含量的設施園藝領域發展迅速，其栽培物件主要為蔬菜、花卉和果樹。近年來，設施畜牧業、設施水產養殖也在逐漸興起。國外對溫室環境控制技術研究較早，始於上世紀70年代。先是採用模擬式的組合儀表，採集現場資訊並進行指示、記錄和控制。80年代末出現了分散式控制系統，現階段開發和研究集中於計算機資料採集控制系統的多因子綜合控制系統、多資料融合技術等[1，2]。目前，世界各國的溫室控制技術發展很快，一些國家在實現自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發展。鑑於此，本文提出了一種基於無線感測網路的設施農業監控系統設計。
2無線感測網路系統組成
無線感測網路(WirelessSensorNetworks,WSN)是在片上系統（SOC，SystemonChip）、微機電系統(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、無線通訊和低功耗嵌入式技術基礎上發展形成新型應用技術，融合了感測器技術、資訊科技和網路通訊技術，由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點組成，通過無線通訊方式形成的一個多跳自組織網路，其網路拓撲動態變化，具有隨機部署、自組織、分散式結構、等特點、智慧型、健壯性、成本低、環境適應性強等優點[3，4]。無線感測網路系統由閘道器/匯聚節點（sink）、感測器節點、管理節點組成。其中，閘道器節點負責對各節點感測器資料的收集、處理及與外網的通訊，作為資料採集的感測器節點響應閘道器的請求，蒐集周圍的資訊，如溫度、溼度等；同時還要兼具有路由功能，通過路由協議直接或者通過作為多跳中轉者的'節點中轉到sink節點，再借助臨時建立的sink鏈路把整個區域內的資料傳輸到遠端中心；管理節點接收各點資料，進行分析和處理。各節點採用撒播、人工埋置等方式隨意散落在監控區域，並自組織成網路。
3硬體設計
該監控系統由無線感測器網路、管理節點及各種執行機構等組成，各感測器節點負責資料的獲取及傳送，管理節點實時顯示獲得的資料並進行相應處理，結合農業專家系統對相關量進行控制。
3.1感測器節點
感測器節點之間通訊採用基於Zigbee技術的CC2530晶片實現（圖3所示）。ZigBee是基於IEEE802.15.4標準的一種短距離的無線通訊技術，具有低功耗、低速率、低成本、低複雜度等特點。Zigbee遵循開放系統互連（OSI）參考模型，協議棧包括物理層、媒質訪問控制層、網路層和應用層，支援自組織網路技術；通訊距離從標準的75m到2km，並且支援無限擴充套件；工作頻率為2.4GHz和868/928MHz，主要面向消費電子、家居和樓宇自動化、工業控制、計算機外設、醫療護理等領域的應用[5]。CC2530是TI公司生產的一款基於具有SOC（片上系統)，支援IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標準，晶片集成了2.4GHz直接序列擴頻RF收發器、工業級增強型805l微處理核、高達256KB快閃記憶體、8KBRAM、8通道12位A/D轉換器，2個USART介面，21個通用介面GPIO等，四種供電模式，具有較高的無線接收靈敏度和抗干擾性能，傳輸距離大於75m，最高傳輸速率250Kbps。CC2530工作溫度為-40℃～+125℃，工作電壓2.0～3.6V，休眠時功耗電流可降低到0.6μA[6]。電源模組由可充電電池、太陽能電池和電源管理單元構成，確保各節點長時間穩定工作。
3.2閘道器/匯聚節點
閘道器/匯聚節點設計如圖4所示，RS232介面與DM9161晶片[7]連線，實現網路的接入；顯示模組用於通訊流量、網路狀態監測，便於網路安裝除錯和故障診斷。
3.3檢測引數及感測器節點的設定
設施農業中檢測的引數有溫度、溼度、光照度、CO2、土壤水分、土壤溫度、土壤養分、各種被控物件的開關量等。由於無線感測網路採用電池供電，感測器選擇時要考慮功耗等因素；另外，不同引數在測點分佈及數量配置不盡相同，在設定節點時可適當整合，在滿足要求的情況下提高複用率，具體如下：①溫、溼度節點：用於溫室溫、溼度監測，溫度感測器選用單匯流排數字式DS18B20，測溫範圍為-55℃～+125℃，精度±0.5℃，分辨力最高達±0.0625℃，響應時間＜1s。溼度感測器選擇頻率輸出溼度模組HF3226，HF3226採用溼敏電容HS1101設計製造，具有寬量程：10～95%RH，效能穩定，體積小，比例線性的頻率輸出，精度±5%RH，工作溫度範圍?40～80℃。②光照度、CO2節點：感測器採用PD-LL，測量範圍0-20000lux，精度：±2%。CO2感測器選擇TGS4160固態電化學型氣體敏感元件，測量範圍：0～5000ppm；加熱器電壓：5.0±0.2VDC；加熱器電流：250mA；加熱器功耗：1.25W；使用溫度：-10～＋50℃。③土壤溫度、水分、養分節點：土壤水分感測器選擇AQUA-TEL，適用於測量任何型別土壤的體積含水量，測量範圍：0-100%，誤差<3%，重複性誤差<1%；土壤養分的測定包括土壤有機質、pH值、氮、磷、鉀以及交換性鈣和鎂的檢測，可採用離子、生物感測器。④開關量節點：包括天窗、溼簾、噴灌等狀態檢測，提供控制系統輔助資訊，可用接近開關或光電開關實現。
4軟體設計
4.1監控系統軟體
監控系統採用模組化設計，基於VC++6.0編寫，採用資料庫操作方式實現節點資料儲存和讀取，並對相應引數進行控制。系統分為通訊模組、資料顯示模組、資料庫管理及歷史記錄查詢模組、農業專家決策系統和控制模組。
4.2感測器網路節點程式設計
感測器節點的主要工作是資料採集、網路連線並承擔部分路由功能，保持與臨近節點的通訊，檢測鏈路狀態等。為降低網路的平均功耗、實現自適應組網，可採用LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)自適應的分簇拓撲演算法[8]，選舉產生簇頭，由簇頭簇區域內的資料收集和融合並傳送至匯聚節點，負責路由選擇等工作。簇頭可動態產生。
5結束語
無線感測器網路融合了感測器技術、資訊科技和網路通訊技術，各感測器分工協作，自主組網，網路拓撲動態變化，具有隨機部署、自組織、分散式結構、智慧型、健壯性、成本低、環境適應性強等特點。ZigBee是一種新興的短距離、低成本和低功耗的無線網路技術，相比於WiFi、Bluetooth等無線網路系統，ZigBee協議的複雜度大大降低。基於ZigBee技術的無線感測網路，具有組網簡單、費用低、易擴充套件、效能穩定等優點。文章提出了一種基於無線感測網路技術的設施農業監測系統解決方案，順應設施農業環境監控自動化、智慧化和網路化的發展趨勢，具有廣泛的應用前景和推廣價值。如果對感測器節點稍加修改，重新配置，可應用於環境監測、醫療、工業自動化等領域。
