无线传感器网络在精准农业中的应用是现代农业和物联网发展的必然趋势。描述了在实验无线传感器网络中引入和部署甘南地区的生态园艺活动，并给出拓扑使用四种类型的节点（节点层，节点环境，节点节点）和水桥）部署网络一些节点连接在现场分布的不同传感器。些传感器可测量各种土壤特性，如温度，体积含水量和盐含量。于每个节点，描述了整体结构，硬件和软件组件。系统还包括由服务器场中心部分运行的实时监控应用程序。统测试是在两个阶段进行：第一阶段是在实验室中，它满足显影设备，网络溶液和节点的能量管理的功能要求，所述第二相是评估设备的功能性能。系统已在生态大白菜农田上成功实施，结果表明该系统是一个简单，廉价，可靠的基础设施，用于收集分布区内的农艺数据。艺环境。线传感器网络;精准农业;物联网;软件架构;生态园林中图分类号：TP212.9文献标识码：A文章编号：1302至02年（2017）03-0200-06收稿日期：2015-12- 22基金项目：科技成果转化项目江西省农业技术（编号：JXKJ201304216），科技创新项目（编号：CX142119）中国科学院执行领导。讯作者：张永珍（1981-），男，江西南昌，硕士，副教授，光通信应用与传感器网络研究方向。子邮件：gov211@163.com。准农业的概念已经存在了一段时间。莱克莫尔其定义为“一个完整的系统，通过调整精确的土壤管理和作物以满足每个企业的特定条件，同时保持环境的质量来优化农业生产。 [1]今天，可以说精准农业是对作物变化的估计，评估和理解，以便灌溉和肥料需求，成长和成熟阶段。物和种植和收获的最佳时机尽可能准确。句话说，该方法完全预测了不同阶段的作物产量。了实现这一目标，尽可能多地收集有关水，土壤，恒温阀芯植物和环境的信息非常重要[2]。研究描述了在园艺农场中引入无线传感器网络。近的其他工作表明，无线传感器网络已成功应用于精准农业。农场位于江西省渭南地区，是中国南方重要的园艺地区之一。农场已经开展了生态农业试验，也称为有机或有机农业。农场面积中等（8000平方公里），一个接一个地拥有250个耕地，距离郴州市仅几公里。为标准研究项目，请考虑使用10个节点来监视作物，星型拓扑连接以及使用网关节点。外，网关节点使用堆栈来存储传入消息，然后分配任务以管理和支持星形拓扑中连接的10个以上节点。项工作的最终目标是为农场提供实时确定作物缺水所需的基础设施，并做出必要的决定。索示例设计为两个传感器网络，每个网络监视不同的参数。一个网络收集土壤的温度，湿度和盐度，而第二个网络记录环境的温度和湿度。外，在池塘中放置一个单独的无线传感器来测量作物给水的盐度。些独立的子网和无线传感器通过适当的网关节点将所有数据发送到农场中心局的基站节点，在那里进行裁剪决策。计和开发了不同的网络，特定的低成本节点（大约150美元，没有传感器）和网络和中心局的网关。经开发了一种后台监测应用程序来控制所有设备并记录在关系数据库中接收的信息，以用于制定灌溉策略。试情况表明农艺问题解决方案如图1所示。包括2个传感器阵列和1个独立的无线传感器。述第一传感器阵列由土壤的10个节点中，每个连接到两个传感器史蒂文斯水润探针II埋在土壤20厘米或在深度40厘米[3]。
些传感器可测量各种土壤特性，如温度，体积湿度，盐度等。二个网络由10个环境节点组成，使用Sensirion传感器SHT71测量环境温度和湿度[3]。了这些传感器网络之外，还将一个称为水节点的无线传感器放置在池塘中，用于灌溉农场。线传感器旨在根据水的电导率测量盐度和温度，以确定用于灌溉作物的水的质量。感器是Stevens EC 250，这是一种远程传感器无线模块，可以与5.5 km以上的基站直接通信[4]。面将详细描述这些节点的硬件和软件实现。1总结了传感器的主要特征。个传感器网络距离主机5.2公里。了提供系统的无线覆盖，网关节点使用与水节点相同的技术来使用远程无线模块。个传感器阵列的节点通过IEEE 802.15.4 [5]互连。消息通过网关到达中央计算机时，中央计算机监视应用程序处理并验证其来源及其包含的信息。息存储在关系数据库中，该数据库包含传感器收集的数据和每个周期的历史记录。下部分描述了开发的每个节点，要求和监视应用程序的体系结构。该装置以治疗所提出的问题的发展所选择的解决方案是使用一个节点（接地节点，环境节点和网关节点）组织2个传感器网络，无线传感器1测量的质量水和中心局（屋顶上）中继节点和连接到监控计算机的基站节点的2个节点。这项研究中所描述的设备已经在SNA（传感器网络架构）的上下文中被开发[5]和RIMSI项目，以满足网络覆盖的不同需要（高达10公里）和节点服SDI-12标准（SDI，2012）可在农业工具市场上获得。计这些设备时需要考虑的主要要求是：（1）坚固的无线技术，（2）低成本，低功耗的电子设备，（3）能耗长期和小尺寸（约2700毫安）。H）; （4）使用输入/输出接口连接不同类型的外部传感器（SDI-12，I2C，4至20 mA）。面详细描述每个节点的硬件架构，使用的传感器，节点的功能以及软件组件的开发。地节点接地节点包括一个微控制器，恒温阀芯一个短程无线电收发器，一个SDI-12接口，两个DC / DC转换器和一个电池组（见图2）。-a，图2-b）。有组件均放置在IP67密封外壳中。2显示了地面节点的硬件和软件实现及其在现场的位置。控制器使用TinyOS版本2编程选择了Texas Instruments Msp430F1611（Tiny，2008）（Hill等人，2000）。有其他节点使用相同的微控制器[5-6]。距离无线模块使用来自德州仪器的CC2420（Chipcon）。
块和网关节点根据IEEE 802.15.4 [5]以250 kbp和2.4 GHz的带宽无线交换数据。关节点充当传感器网络和办公室之间的网关。量由连接到第二个DC / DC转换器的三个AA 2500 mAh NiMH可充电电池提供[7]。转换器为节点的所有组件提供2.5V DC。些电池持续了大约7个月，这保证了正常农耕季节的足够时间。个节点通过SDI-12接口连接到两个Stevens Hydra Probe II（HP2）[3]传感器（图2-c）。SDI-12是一个串行数据接口，波特率为1200 bd。是用于将电池供电的数据记录器连接到微处理器传感器以进行环境数据采集的接口标准。HP2是一种原位土壤传感系统，可测量22种不同的土壤参数，并以数字形式生成。可以即时计算土壤湿度，电导率/盐度和温度。壤节点监测HP2传感器的四个参数[土壤温度（°C），土壤氯化钠浓度（g / L），土壤水分体积百分比和土壤修正的土壤电导率。度（S / m）];接收PC配置的采样周期为30分钟到48小时。于采样通常每小时进行一次，因此决定发送每个读取周期的读取数据，从而将实时数据可用性与合理的功耗相结合。装置还监控电池电压，并在达到临界水平时发送信号。节点使用TinyOS 2.0操作系统[8]进行编程，相关的编程语言为nesC，专用于无线传感器网络领域。nesC是作为C编程语言的扩展而创建的，使用有线组件在TinyOS上运行应用程序。件使用接口相互连接。TinyOS提供用于通用抽象的接口和组件，例如分组通信，路由，检测，控制和存储。TinyOS是用于开发无线传感器网络的新的应用程序，并提供一个可重复使用的部件，以确保遵守标准IEEE 802.15.4和可靠的通信公知的替代选项，并支持多种硬件（一个微控制器，收发器，传感器）。外，还有一个用nesC编写的ZigBee实现（Open-ZB）。TinyOS是一个开源代码（2），允许应用程序在需要时直接访问硬件，（3）支持多个硬件平台。此，TinyOS已被选为开发节点的应用软件。境节点为了便于阅读，以下内容并未涉及其他节点和土壤节点的共性，而只涉及新组件和功能的详细信息。境节点（图3）记录了作物的环境温度和湿度参数。图3-a所示，除了与外部传感器的接口外，节点架构类似于地节点的节点架构。个节点通过I2C接口连接到Sensirion SHT71传感器（图3-b），并放置在距离地面1.5米的防晒霜中。些类型的节点获取参考参数读数的最高频率是2读数/小时。境节点位于网关节点周围大约100米的半径内。初，网络必须有10个节点。
样，该节点也使用TinyOS编程。SensirionSht11C组件用于执行上述功能。外，Msp430ADC0C用于对ADC ADC0 ADC0转换器进行采样，以在电池电压低于某个阈值时确定低能量警报。节点的水节点（图4）测量用于农作物灌溉的池塘水的温度和盐度。这种情况下，节点经由远程无线模块适于将所述外全向天线的8dBi（无线电调制解调器的XStream X24-019PKI-RA）的办公室直接通信。构的其余部分与上述节点非常相似（图4-a和图4-c）。
Stevens EC 250传感器浸没在池塘中。个传感器发出4至20 mA的信号（温度和盐度）：当电流环路通过电阻时，ADC的ADC0和ADC1转换器读取两个传感器。取这些参数的最高参数频率为2读数/小时。点由太阳能电池板供电，并装在靠近池塘的防水盒中。[FL]] [TPZYT4.tif] [FK]]天线安装在高度约4米的桅杆上。次使用TinyOS开发EC250C组件以满足上述特性。图1所示，网关，基站和中继节点，设备基础设施需要两个无线传感器网络和传感器与桌面相互连接：（1）每个网络的网关节点，其中基于网络节点的环境中的传感器，一个基于地面的节点上，（2）中继节点位于办公室建筑物的屋顶，（3 ）基站节点放置在办公室中并物理连接到监控计算机。5-a和5-b详细示出了网关节点图像及其硬件架构功能模式。控制器通过远程无线模块经由短距离无线模块和办公室中的中继节点与增长节点通信。
于使用可充电太阳能电池，能量储备的寿命就足够了。阳能电池板是Zodiac Solar的TPS 102/5（12 V，5 W）面板[3，9]，安装角度为30°。最坏的情况下，卡塔赫纳地区的平均太阳辐射在此角度为4，600 W·h / m 2。关消耗7.8 W·h。此，面板可以为节点的功耗提供更多的能量。了确保对基站节点的充分覆盖，主天线竖立在大约9米高的桌面屋顶上。天线和基站节点之间的无线连接也由中继节点实现。站的节点收集由传感器网络（使用中继节点）生成的所有信息，并将其发送到开发用于处理网络的监视应用程序。外，软件应用程序可以将任何命令发送到传感器网络。节点包括一个连接到全向天线3dBi的远程无线模块（2.4 GHz）和一个用于连接到主机的RS-232接口。
继节点是以转发器模式配置的商用无线电调制解调器，连接到全向8 dBi天线。外提供16公里的视距覆盖。视应用程序包括以下集成：（1）用于显示从传感器读取的数据的图形用户界面（GUI）和（2）用于接收和存储节点数据的程序。两个程序都是使用Java编程语言，Eclipse环境和MySQL关系数据库管理系统开发的。些应用程序的基本特征可以总结如下：在图形用户界面（图6），它确定每一个节点和培养物的确切地理位置，由传感器读出的数据被周期性地发送到基站并存储在数据库中（程序等待事件触发），表明串口包含数据）。形界面将读取数据并实时显示。外，用户的请求可能会改变采样周期;节点数据库存储建立的细节，它的收敛区域，传感器嵌入在每个节点，读取历史，发布一种类型的探测器的历史警报和检测区域（例如，电池故障，在某个阈值以下等），显示传感器读取的最后一个数据，而右侧显示3个网络。格下方的图表以用户选择的时间间隔显示数据或提供收集的最新数据。面和环境节点提供以下服务：更改传感器采样周期并将设备配置为在电池组上发送数据。电池严重耗尽时，它们会触发警报。外，土壤节点还提供其他服务，例如定义土壤类型，配置测量数据集，定义灌溉水量以及定义预热时间。注意，所有服务都提供特殊的数据组合来定义采样周期。果[JP2]实现目标的过程包括两个阶段：第一阶段在实验室，第二阶段在实地。有子网都部署在第一阶段（仅4个节点用作环境节点的地面节点和子网的示例），2个网关节点，基站和中继节点。阶段的主要作用是验证建议的硬件和软件解决方案。认没有硬件或软件版本使用低功耗技术。旦确保了正确的操作，下一步是检查软件以便在所有节点上巩固省电模式，除了电源的主要部分（基站）和中继节点）。过这种方式，可以实现完整的系统自治，以确保节点在整个园艺周期（10周）内都能发挥作用。二阶段的目的是在实际农场条件下进行验证并评估所开发设备的功能性能，例如范围，稳健性和灵活性。[JP]为了实现开发的系统的结果的综合评价，在以下几个方面进行了分析：（1）从设备的开发和利用技术的观点来看，和（2）点农业观。备结果在实验室进行功能检查后，开发的设备已经在低功率模式下重新编程，最适合现场使用。这种运作模式的详细研究表明，需要保证整个农业周期的自治。下是对地面节点的研究，与所有其他节点相同。[JP2]地面节点具有4种功能状态：待机，无线电接收消息等待，传感器记录，数据传输。3列出了每种状态下节点的功耗和持续时间。糟糕的情况是使用平均能耗从2个传感器每30分钟收集和传输数据。研究的最终目标是确定节点的平均能量消耗并直接将所得能量与电池的电能相关联，以确定设备的自主时间。个节点的平均功耗可被确定如下：[JP] [JZ（] ISOIL-微尘= Istandby Ireceiv Iacq Itrans [JZ）] [JY]（1）其中，[JZ（] Istandby =0.25毫安; [JZ）] [JY]（2）[JZ（]Ireceiv≈[SX（]20毫安×15×10-310 [SX）] = 0.03 MA; [JZ）] [JY]（3）[JZ（] Iacq≈2×[JB（（] [SX（]110毫安×1×10-31 800 800 [SX）] [JB））]; [JZ）] [JY] （4）[JZ（〕×Itrans≈2[JB（（] [SX（]25毫安×125×10-31 800 [SX）] [JB））] = 0.0035毫安。JZ）] [JY ]（5）表达式（2）可以指示睡眠模式，消耗。达式（3）表示从10s到15ms的每个脉冲在接收模式下节点的平均功耗。达式（4）和（5）反映了类似的计算，乘以2，这对应于连接到每个节点的传感器的数量。达式（1）给出了地节点的平均电流消耗，约为0503mA。节点电池的功率为2700 mA·h，其估计的自主性为223天，足以确保整个农业或园艺季节的正常运行。他设备的能耗研究遵循与土壤节点相同的过程。果总结在表2中。点放置在现场后，验证测试持续超过9周，没有设备发出低电量警报，表明太阳能电池板正在工作。确地验证能耗评估。了覆盖设备，在办公室基站的节点处使用全向天线3dBi。于建筑物的覆盖范围，中继节点必须从屋顶开始[CM（25）]放置。在中继节点和配备有XStream（网关和水节点）的节点之间提供了10km的覆盖范围。有安装在室外的8dBi全向天线，安装在桅杆上高达4米的高度，以避免任何障碍物。旦传感器网络的网关节点的正确定位，所述网关节点和所述节点之间的最大地面覆盖为50μm，环境接地节点放置在园艺作物和应埋在20厘米或40厘米深的土壤中，与环境节点不同，环境节点放置在地面上并因此被覆盖。第一个节点安装在土地上时，作物高出地面，打结工作完美。而，当作物在停止工作几个月后开始生长。个问题已经解决了，在南部省份江西赣州的替换原来的天线3dBi全版生态农业的草莓验证试验区的结果在花园4 HM2深功能的一些园艺场40 cm培养土：土壤质地，总碳酸盐35.4 mg / L，有效P（Olsen试验）78.6 mg / kg，钾（醋酸铵测定） 487.0毫克/千克。灌系统2通过0.20米安装1排放喷嘴l / h结合在培养线之间。用化肥喷洒作物施肥的过程。火星节点部署的第一周，当农民开始收集土壤传感器网络传感器节点的无线数据时，它被放置在20厘米和40厘米深的子层中。时，有80毫米的累积降水量，高达65公里/小时的中等风速和中等温度（平均15.2°）。）..图7显示了数据（土壤湿度，在生长周期中收集的空气温度，光线，二氧化碳浓度等。.Hydra传感器传感器提供准确的土壤水分测量，单位体积的水是，土壤水分的小数形式的音量的显示比例（WFV或立方米/立方米）..例如，0.20 WFV 1指含有200ml水的土壤样品中的水含量。全饱和（所有土壤孔隙充满水）通常会发生0.5~06 WFV，而不依赖于土壤。node能够检查这是否正常运行。供类似的气候条件一些保证稳健性。“在引进这项技术之前，园艺领域采用传统方法监测作物，派人用适当的便携式设备观察作物和池塘，以测量相关的农艺参数。物变量可以实时确定，可以估算作物用水需求，而不会被迫观察它们。场团队可以监测最佳条件，以实时保持卷心菜生长相对湿度介于60％和90％之间。结论本研究中描述的无线传感器网络提供了有效监测土壤和作物条件的能力，并已成功监测有机甘蓝作物的生长期具有所需的精确度。场团队现在能够更加完整和准确地收集空间和时间数据。此，农业生产系统受益于高科技融入通信和信息技术。线传感器网络设备收集各种土壤测量和环境条件的能力是系统设计的基本要求。线传感器网络技术的一个重要优势是能够显着减少和简化布线，更快部署，无限的传感器安装灵活性和改进的移动性。管有这种技术的潜力，但仍然存在一些困难，例如缺乏经验丰富的人员来解决问题，传感器成本高，电源问题等。一项研究的目的是建立一个专家灌溉管理支持系统，结合气候（ET）和土壤水分平衡模型来估算作物需水量。化灌溉计划和使用远程灌溉设备的能力。
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