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摘要：隨著我國農業的持續發展，先后出現了一系列高精尖農業生產技術，能夠智能、精準地完成包括蔬菜大棚溫度監測等在內的眾多工作，從而有效提高了農作物產量。在這一背景下，本文以無線傳感網絡技術為主要研究對象，在對無線傳感網絡系統進行簡要介紹的基礎上，嘗試針對蔬菜溫室大棚設計一種無線傳感網絡，并對其在設施農業中的實際應用進行簡要分析，為相關研究人員提供一定的參考。

關鍵詞：無線傳感網絡技術；設施農業；智能控制；溫室大棚

目前，國內外有眾多研究人員通過對無線傳感網絡技術展開研究，證明其能夠有效為設施農業的可持續發展提供重要的技術支撐，有助于農產品生產效率的大幅度提高，全面提升設施農業管理水平。但是，由于無線傳感網絡技術在我國的發展尚處于初級階段，因此在其應用過程中還存在部分問題亟待解決。

一、無線傳感網絡系統概述

現階段，絕大多數研究人員認為所謂的無線傳感網絡指的就是一種以片上系統及微機電系統為基礎，融合了無線通信技術以及功耗較低的嵌入式技術等在內眾多現代科學技術而發展生成的新型應用技術。其主要是通過在檢測區域當中布設各種微型傳感器，通過運用傳感器技術及信息技術實時采集溫濕度等各項相關信息數據，并搭配使用網絡通信技術將原本分散的微信傳感器節點相互連接，進而構成一個完整的多跳自組織網絡[1]。在路由協議的作用下，將多調跳中轉者節點中轉至Sink節點上，最終向遠程控制中心傳輸采集獲取的數據。由管理節點負責對數據進行接收以及分析處理。圖1即為無線傳感網絡系統結構。

二、蔬菜溫室大棚無線傳感網絡的設計

（一）硬件設計

1.傳感器節點

以蔬菜溫室大棚為例，在設計無線傳感網絡的過程中，在硬件部分的傳感器節點設計上，嘗試運用UNIT無線通訊協議，從而使得各傳感器節點之間能夠實現自由通信傳輸。該種通訊協議采用了433MHz和470～510MHz等頻段，穿障能力較強，并且傳輸距離至少可以達到500m，可以同時支持包括星型、樹型等在內的眾多網絡拓撲，構建超過1000個節點的大規模應用網絡。此次設計使用的智能芯片是一種采用片上系統與UNIT無線通訊協議，實現包括工業級增強型微處理核、2.4GHz直接系列擴頻RF收發器等高度集成化，擁有超過20個通用接口且可以同時支持4種供電模式，無線接收靈敏度較高，不易受到外界因素的干擾影響，傳輸距離在75m以上，最高傳輸速率可以達到250Kbps的芯片。其工作溫度最低可達到-40℃，最高可達到125℃，工作電壓在2.0～3.6V。并且為了能夠有效保3.傳感器節點在設施農業生產中，溫濕度、光障其可以長時間運行，在電源模塊當中同時使用了可充電電池及太陽能電池，并搭配使用電源管理單元。

2.網關/匯聚節點

在設計網關/匯聚節點時，選擇使用具有功耗較低但性能較高特性的CMOS芯片，即DM9161，其即可以滿足10M以太網傳輸，同時也支持100M以太網傳輸。在將其與相應通訊接口進行直接連接下，成為網絡物理層接口，監測得到的通信流量及網絡狀態相關數據信息則直接在顯示模塊當中實現可視化呈現，為后期安裝調試無線傳感網絡以及診斷網絡故障提供便利。照以及土壤的水分和養分含量等各項參數均會對農作物的生長以及設施農業自身發展起到相應的影響作用。考慮到無線傳感網絡中使用了電池供電方式，因此，在設計傳感器時還需要對包括功耗等在內的眾多因素進行充分考量[2]。此外，由于各參數測點在分布及數量配置上存在一定的差異性，因此，在節點布設的過程中應結合實際情況進行適當整合，使得傳感器節點能夠得到重復循環使用，以有效降低設計成本。例如，在溫度節點設計上，可以采用單總線數字式DS18B20溫度傳感器進行溫濕度的實時、精準測定。該溫度傳感器的測溫范圍在-55～125℃，精度誤差控制在±0.5℃，響應時間不超過1s，最高分辨力可以達到±0.0625℃。而在土壤水分傳感器設計上，則可以通過選擇使用適用范圍較廣的AQUA-TEL，其測量范圍在0%～100%，誤差不超過3%，而重復性誤差更是低于1%。通過利用生物傳感器或是離子傳感器便可以有效地對土壤的有機質含量、酸堿度及氮磷鉀含量等進行實時、精準測定。

（二）軟件設計

1.監控系統軟件

在無線傳感網絡的軟件設計方面，通過參考其他相關研究資料，選擇運用模塊化的設計理念，通過利用VC編程軟件及SQL數據庫軟件，使得監控系統中各項節點數據均能夠得到及時存儲及準確讀取，所有參數均能夠得到有效控制。該監控系統主要由通信及顯示模塊、數據采集與數據庫管理、查詢模塊和控制模塊共同組成，并利用相關網絡通訊協議及網絡技術將監控系統與農業專家決策系統進行有機連接，從而使得在溫室大棚運用無線傳感網絡技術下，借助各傳感器獲取的溫濕度數據、土壤養分數據等，數據庫將對其展開深入分析研究并整合農業專家的決策意見，最終真實反映溫室大棚農作物的生長情況以及噴灌、施肥等實際情況，并對溫濕度調控等提出合理化建議。

2.主程序設計

為了使平均網絡功耗降至最低，真正實現自適應組網，在傳感器網絡節點主程序設計中，該文使用了基于LEACH的自適應分簇拓撲算法，在對簇頭進行有效確定的基礎上，負責對簇區域中的各項數據進行搜集整理與有效融合，最后直接將其傳輸至匯聚節點中，完成選擇路由等各項相關工作。具體來說，當完成硬件的初始化之后，需要對無線通訊協議進行初始化并搜索網絡，確定加入網絡后進行開中斷，從而使得傳感器節點得以進入休眠狀態。當被喚醒后，立刻進行關中斷操作，并確定事件句柄，此時需要通過對各項關鍵監測數據進行采集及傳輸，在此過程中會自動動態生成簇頭，一旦簇頭丟失，需要重新選舉簇頭并對路由表進行更新，確定事件句柄后再次開中斷即可。

三、無線傳感網絡技術在設施農業中的實際應用

（一）無線傳感監控體系

1.體系結構

在將無線傳感網絡技術應用于設施農業的過程中，農戶需要將UNIT無線傳感器裝設在溫室大棚當中，并將UNIT無線傳感器作為節點，從而依托網絡技術建立一個全覆蓋的無線傳感數據網。在普通花卉或是果蔬溫室大棚中，則需要建立包括溫濕度及光照等在內的基本傳感節點；而對于無土栽培及水產養殖等特殊農業大棚，則需要在大棚中設置溫度、溶解氧及酸堿度等在內的傳感節點，并專門配置液晶顯示屏及各項生理傳感器，用以實時監測大棚中的有害氣體、水濁度、土壤營養成分以及蒸騰量、果實與莖稈的膨大和生長速度等[3]。通過依照相關標準，在規定位置處設置一定數量的不同類型的無線節點傳感器后，在對各項重要的環境參數、生理參數等進行及時搜集整理后，直接傳輸至農業智能專家系統中，交由農業專家進行科學、系統分析，從而準確了解大棚內各項農作物的實際生長情況與整體環境情況，判斷出具體的種養問題。最后利用無線網絡以短信等方式告知設施大棚農戶及當地農業作業者，為其提供必要的技術咨詢與指導服務。圖4為利用無線傳感網絡技術建立的設施農業監測系統。

2.應用價值

通過利用無線傳感網絡技術及UNIT通信協議，并將大量不同類型的傳感器節點設置在農業大棚中，單節點傳輸距離最少能夠達到2km，將傳感器節點進行相互連接，能夠形成轉發監控數據的多跳無線網絡，由此有效擴大對設施農業的監控范圍。此外，無線傳感技術與UNIT通信協議的靈活運用，使得設施農業監測系統具有較高的容錯特性，且系統軟件及硬件的魯棒性相對較高，即便在高溫、低溫或是高壓等特殊環境下，同樣不會受到干擾影響，可以動態精準地監測農業大棚中的各項環境參數及農作物的生理參數[4]。通過利用以數據為中心的網絡，根據具體的信道分布情況實時采集關于設施農業的各項重要參數并對其進行匯總整理，可以在保障數據傳輸穩定性與及時性的基礎上，為提高設施農業管理水平發奠定堅實的基礎。此外，該文所設計的無線傳感網絡中，各UNIT節點工作電流峰值均不超過30mA，其在處于休眠狀態時電流不超過10μA，如果將采樣頻率設定為每隔5min工作3s，則該系統使用2節800mAh電池能夠持續不間斷地工作3個多月，在對節點傳輸距離進行優化配置后，同樣可以達到有效控制無線傳輸功耗的效果。通過應用無線傳感網絡技術，農戶可以根據其獲取的各項重要參數掌握農作物的具體生長情況及設施栽培成效，尤其是系統智能診斷種養問題，并集合農業專家決策的功能，可以有效達到防范溫室災害，避免出現作物減產減收，從而幫助農戶達到經濟效益最大化的根本目的。

（二）技術應用存在的問題

在應用過程中筆者發現，目前有部分傳感器如二氧化碳傳感器及通訊模塊的投入成本較高，對于廣大農戶而言，只有當應用無線傳感網絡技術獲得的經濟效益比投入成本高時，才會選擇在設施農業生產中應用這一技術。因而未來在將該技術應用在設施農業中時，還需要重點加強對成本控制的深入研究，采取優化傳感器選型或是對其進行節能改造等方式，以降低成本。此外，目前我國絕大多數農業大棚并不專門提供電源，因此，在應用無線傳感節點時需要使用電池對其進行長期供電，如何有效延長無線傳感節點供電時長，并盡可能減少節點能源消耗也是影響該技術在設施農業領域中應用的關鍵問題。

四、結語

該文針對農業溫室大棚設計了一種無線傳感網絡，通過利用UNIT無線通信協議以及各種不同類型的傳感器節點，對網絡系統軟件和硬件進行合理設計，證明無線傳感網絡技術能夠有效防范溫室災害，幫助農戶動態化監控溫室大棚環境及作物生長情況，具有強大的經濟效益。但其在未來的應用過程中，需要集中解決成本較高、能源消耗大等問題。

參考文獻：

[1]張欽.設施農業中無線傳感網絡的設計與應用[D].鎮江：江蘇大學，2017.

[2]張科軍，熊艷艷.無線傳感網絡技術在設施農業中的運用[J].鄉村科技，2016（33）：60-61.

[3]張新.無線傳感網技術在現代設施農業中的應用開發[J].安徽農業科學，2016（7）：296-299.

[4]郭亮.基于嵌入式技術和無線傳感技術的大棚溫室參數監測系統[D].沈陽：沈陽工業大學，2012.

作者：范士建 單位：山東省濟南市長清區文昌街道辦事處農機站