基于无线传感器的农田温湿度采集系统研究

    黄丽韶

    摘 要：文章设计并实现了一个基于无线传感器的农田温湿度采集网络系统。该系统经过测试，能正确收集农田的温度和湿度信息，并通过无线传感器传输到终端设备，在终端设备进行数据统计和分析，并给出简单的决策提醒信息。

    关键词：无线传感器；农田温湿度；采集系统

    农田环境信息包括空气温湿度、光照度、风速、土壤含水率等，相关的信息采集系统都是先收集这些信息，然后通过网络传输到终端，进行数据观测，并最终给出相应的决策。这也是现代农业发展的重要基础和方向。

    传统的农业农田灌溉与相关作业，经常需要人员亲自现场，观察农田的温度和湿度信息，耗费了大量的人力和物力，给农业经济的发展带来极大的阻碍。因此采用先进的传感器技术和GPRS技术将农业环境数据和作物生长发育过程中的生理及形态数据远程传输到实验室的计算机上，利用各种数据算法及专家经验知识对数据进行分析，研究各种数据之间的内在关系，可以更好地为农业生产管理提供决策支持。

    1 同类课题研究水平概述

    无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。美国商业周刊和麻省理工学院将无线传感器网络列为21世纪改变世界的十大技术之一。随着无线传感器网络的深入研究，其在科学研究、国家安全、经济生活或人类生活众多领域将会有着更广泛的应用。由于传感器网络的应用与具体的应用环境有关系，因此存在不同应用领域的无线传感器网络系统。无线传感器网络以应用为目的，相关技术的研究均是围绕其应用展开的，其在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值，因此无线传感器网络被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来的四大高新技术产业之一，是继Internet之后对21世纪产生重大影响的IT技术之一，对人类的生活和工作方式将会产生深远影响。无线通信常见形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信等。它摆脱物理连接的束缚，无需通过电缆实现设备问的互连和信息的传输，成为通信技术研究热点，使得对于无线通信的需求量越来越大，因此出现了许多无线通信协议。无线通信技术由近距离、点对点传输的红外通信技术，到短距离、点对多点个人局域网，如蓝牙和ZigBee，到中距离、多hop无线局域网，到长距离的便携式电话系统，如GSM/GPRS和CDMA等，不同种类的技术随着需求的不同而不断发展完善，形成了巨大的市场潜力[1]。本设计考虑到成本及实用情况，采用短距离点对多点通信方式，设计了针对农田土壤监测的专用无线传感器网络。上位机软件LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具。这种开发工具的优势很多，比如，它能给用户很好的界面体验，还有具有图像操作系统式的编程界面和规范，开发人员并不需要敲写大量的传统代码，所以，它是一种真正的工程师级别的语言。

    2 基本思路

    基于低成本、可扩展、易推广、服务三农的原则，研究多样性土壤信息的获取与处理技术，设计田间与温室信息的低成本采集、传输与控制系统；实现对土壤温湿度高效、实时、统一、精准的管理。以温湿度为基本监控元素，设计能完成对土壤温湿度信息的可控采集、无线传输、图像化显示、数据库处理与自动灌溉的系统平台。数据传输无线化、信息监控在线化、方案决策智能化、功能扩展方便、设计成本低廉是其创新之处。

    3 技术关键

    本技术采用具有很强抗干扰能力的APC220无线收发模块与自定义的无线传输协议，解决了无线电干扰问题。采用“多基站转发”的无线传输协议，突破了无线模块本身传输距离有限的局限，实现了任意距离的传输。针对土壤含水率变化滞后的特点，采用模糊控制算法进行土壤含水率控制。采用自行设计的PCB电路板，保证了硬件系统稳定可靠、体积小巧，并为以后的推广应用奠定了基础。采用LABVIEW开发环境在较短时间内开发出了界面友好、功能完善的远程在线监控软件。主要技术指标有：（1）误码率：400米距离时小于2% ；（2）无线传感器网络传输距离：采用“多基站转发”的无线传输协议，理论上可以达到任意距离；（3）灌溉误差小于2%。

    采用XL51智能温湿度传感器。集温湿度采集、无线传输等功能，带显屏，实时显示温湿度数据；配按键，支持手机WiFi现场调试的XL51无线温湿度传感器。XL51无线温湿度传感器，具有低功耗、高精度、稳定性强、使用寿命长等特点，支持4路数字量输入，有线RS485输出和无线输出，可选433 MHz，2.4 GHz等无线传输方式。配置：4路独立RS485&DC5V接口，用于接入XL62RH温湿度感器探头；温度量程：-40～120℃，精度±0.3℃；湿度量程：0～100%RH，±3%RH；最多可选接入4支温湿度传感器探头；温湿度传感器可配引线长达100米。

    本文设计的采集系统的主要构成是：信息抓取模块、信息发送模块、信息存储中心模块和信息决策模块。信息存储中心模块（监控中心）：硬件主要包括：工作站电脑、服务器（电信、移动或联通固定IP专线或者动态ip域名方式）；软件主要包括：操作系统软件、数据中心软件、数据库软件、温室大棚智能监控系统软件平台（采用B/S结构，可以支持在广域网进行浏览查看）、防火墙软件；信息发送模块（数据通信网络）：采用移动公司的GPRS网络或490 MHz传输数据，系统无需布线构建简单、快捷、稳定；移动GPRS无线组网模式具有：数据传输速率高、信号覆盖范围广、实时性强、安全性高、运行成本低、维护成本低等特点；信息抓取模块（温室硬件设备）：远程监控设备：远程监控终端；传感器和控制设备：温湿度传感器、CO2传感器、光照传感器、土壤湿度传感器、喷灌电磁阀、风机、遮阳幕等。

    本文设计的农田温湿度采集系统的主要特点阐述如下：（1）实用性。农田的地理位置并不集中，因此需要比较好的网络信号来对采集的信息进行抓取，所以，我们设计采用广泛的GPRS实现，使用高增益天线，才能让整个采集系统正常的使用，当有多个信息发送时，还能实现多线程的远程信号的发送与接收。（2）兼容性。本文实现的采集系统表现的兼容性主要是在它未来的发展上，能很好进行扩充。采集系统预知了多个接口，供系统进行无线的扩展，也方便后期开发人员进行维护，对系统出现的错误问题，能及时给出报警信息，以免造成大的损失，并能在一定程度上给出预测。（3）操作简便。整个系统在采集信息的过程中，需要操作的步骤非常简单，只有简单的4个按钮，并且给出了详细的说明。4个按钮都给出了明显的标志。4个按钮分别是：温度收集、湿度收集、报警按钮和决策按钮。

    4 科学性与先进性

    所设计的土壤温湿度在线监测与控制系统，融合了无线电、传感器、网络通信及LABVIEW图形化编程等技术。将成熟的传统技术与高速发展的无线传感器网络技术相融合，并根据实际应用情况，设计了“多基站轉发”无线通信机制，成功实现了信息传输与处理平台的搭建。同时，采用成熟的模糊控制算法对喷灌系统进行控制，实现了灌溉的智能化。

    4.1 设计的系统要求

    设计的系统要求包括：（1）根据具体监控需求，部署传感器节点和中转基站，保证各节点能统一组网。（2）借助在线监测软件发出控制命令给传感器群。（3）系统会根据采集的数据自动作出灌溉等决策方案，以供用户参考。

    4.2 技术特点及优势

    技术特点及优势包括：（1）采用APC220无线收发模块与自定义的无线传输协议，有效避免了无线电的干扰问题。（2）采用“多基站转发”的无线传输方式，突破了无线模块本身传输距离有限的局限，实现了任意距离的传输。（3）采用LABVIEW软件开发远程监控系统，开发周期短、界面友好。（4）采用PCB电路板，保证了硬件系统稳定性。项目适应范围及经济效益预测。由于在软硬件的设计上都留有充分的扩展接口，故稍作修改即可应用于需要进行数据采集、传输与处理的场合，尤其是农业方面，几乎可以不加修改地直接使用。本系统不仅可以指导农户进行精细化种植，还可以在少量改造后移植于其他需要感知的生产领域，有利于提高生产效率[2]。

    [参考文献]

    [1]胡纯意，李长庚，王鹏鹏，等.无线传感网络温湿度采集系统的设计及实现[J].计算机测量与控制，2010（5）：1199-1201.

    [2]高辰，张思琪，张睿，等.基于无线传感器网络的成品粮仓储环境温湿度检测系统设计[J].物联网技术，2017（3）：30-31.