面向精准农业的无线传感器网络系统.pdf

面向精准农业的无线传感器网络系统Wireless张瑞瑞h2陈立平1’2徐刚h2李宏亮1’2，s间信息的采集是精准农业实施中的关键一环。国内1系统结构设计接收、存储、时空分析、共享。第36卷第10A期2009年10月计算机科学System(国家农业信息化工程技术研究中心精准农业部北京100097)1(国家农业部农业信息技术重点开放实验室北京100097)2(首都师范大学信息工程学院北京100048)3精准农业是现代信息技术成就的一次作物栽培学革命，其含义是按照田间每一操作单元的具体条件，准确调整土壤和作物管理措施，优化投入，提高经济效益，从而实现节约土地资源和保护农业生态环境。近些年，随着全球环境恶化和对农产品质量、安全的重视，人们越来越重视精准农业的发展。田外已有科研人员将无线传感器网络(WirelessNetwork，WSN)技术应用于田间信息采集[1卅，支持精准农业的实施。本文设计了一种基于周期性数据采集的传感器网络系统。系统大部分节点采用电池作为电源，功耗较低，可在较长时间持续工作；结合农田信息处理的要求，开发了系统管理软件Field1．2，实现了对网络及数据的有效管理。系统对田问环境信息长时间持续监测记录，以满足农业科研人员的田间信息需求，推动精准农业的实施。基于当前传感器网络的技术发展情况，并借鉴国内外研究经验，设计了该系统，其结构如图1所示。系统由分布于农田的网络节点、网关和远程管理中心3部分组成。网络节点包括由电池供电的传感节点Node和放置在田垄上的由太阳能系统供电的群头节点Head，两者在田间的拓扑关系一般如图1所示。Node节点以1小时为周期，采集土壤的温度、湿度、电导率及田间小环境空气温湿度信息、光照度、有效辐射强度等信息，并与群内节点配合以多跳的形式发送到Head节点。Head节点控制Node节点，实现网络启动、采集周期修改及故障恢复等。Head节点组成Mesh网络，将信息汇聚到田间的GPRS网关设备。网关提取数据包中的有用信息，进行本地存储，并将数据发送到远端管理中心。远端数据管理中心负责田间网络的状态监测和数据的ComputerSensorNetworkinPrecisionAgriculture摘要针对精准农业实施中田问信息获取的迫切需求和现有田间信息采集系统的局限性，设计了面向大田精准农业应用的田间信息采集无线传感器网络系统。以Atmegall28L+CCl000为核心设计了田间信息采集网络节点，并从软硬件实现和网络协议设计角度阐述了节点的主要特点。基于LPlC2210和GPRSmodem模块设计了田间WSN-GPRS网关，实现了数据的远程传输；开发了Pc软件FieldViewl．2，它具有对田间传感器网络及数据的管理功能。系统为田问信息获取提供了工具。关键词无线传感器网络，精准农业，GPRS，信息采集系统中图法分类号S126文献标识码B图1系统结构图ScienceV01．36No．10A0Ct2009Sen—View本文受北京市自然科学基金(4092018)，国家科技支撑计划(2007BAD44806)资助。张瑞瑞(1983--)，男，工程师。主要研究方向为精准农业无线传感器网络，E—mail：[e-mail]；陈立平(1973一)，女。博1：，研究员，主要研究方向为精准农业关键技术；徐刚(1979一)，男，工程师，主要研究方向为精准农业无线传感器网络；李宏亮(1982一)，男，硕士生，主要研究方向为传感器网络技术。·310·sor
呈．面芝三。鸳·旦J#Ⅱ|t⋯‘⋯㈣“芝黼=三·ot、‘蕊爵mRr⋯t日⋯2n硅嚣：：⋯—i—z：警÷下+’。一2系统实现Head节点硬件是在Node节点基础上，去掉外部传感器，井增加太阳能供电设备组成，软件实现上也与Node节点相似，所以，下面重点描述传感节点(1)硬件组成节点硬件主要包括农田环境参数传感器、射频通信电路、控制器、电源以及扩展接口等几部分，它气温湿度、光照度、有效辐射强度等参数的获取。节点的多路模拟数字扩展通道、RS232、SD卡等扩展接口，可以根据实际斋蔓扩腱连接。圉2是传感器节点硬件结构囝，圈3是节点在田间应用的实物图。传感器实现农田信息到控制器可识别的电信号的转换。节点能量有限、处理能力低和体积要求小等特点限制了传感器的选择。土壤温湿度电导率传用Clairex公司的CI．9P4I．并配以相应的校正算节点控制器和射频通信电路部分，采用典型的在农田中不宜放置体积较大的设备，所以选择2节AA原电池串联作为电源。基于农业监测周期长的特点。传感器节点软件设计的关键是既能有教地实现所需要的功能．又能最大限度地降低系统能耗。实验袁吩，节点通信所中要尽可能地使节点的射频通信电路处于休眠状态。软件系统基于宁渡中科集成电路设计中心