基于无线传感器网络的农业自动化监控系统的设计

刘卉 曾利军 肖瑶 高芳

摘 要：本系统设计方案是基于目前比较先进的ZigBee技术，同时利用无线传感器网络技术实现农业自动化监控。系统包括硬件系统的设计和软件系统的设计。主要由无线模块、数据处理单元、数据存储、传感器控管制矩阵和供电单元等构成。在net framework 4.0平台上依靠C语言实现了软件功能。传感器驱动程序设计由传感器节点实施主要操作，而汇集节点则担任串口通讯编程的功能。

关键词：农业自动化；监控；ZigBee；无线传感器网络；传感器节点

无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）具有结构紧凑、价格便宜、布置简单、维护快捷、测量精密等优点，被称为新世纪十大支撑技术之一，而且该技术在农业环境的监测与控制方面极具优势。

ZigBee技术是一种功耗低、成本低、近距离、无需布线、高可靠性、自组织性和方便组建网络的双向无线通信技术，基于以上优点ZigBee技术与无线传感器网络的结合，成为农业自动化监控系统设计的最优选择。

1 系统设计方案

基于ZigBee无线传感器网络的农业自动化监测控制系统，主要应用于灌区农田进行土壤环境及植物生态监测，通过上位机软件监控，对农田实现智能节水灌溉。该系统主要由五个模块构成，分别是ZigBee网关节点、上位机监控、无线传感器节点、阀门控制设备和无线路由设备。系统结构如图1所示。传感网络节点根据对土壤的湿度进行监控，将反馈数据通过ZigBee技术传送至接收节点，然后由控制器分析接收的数据，将数据与不同农作物的生长规律进行对比分析，并由此来控制电磁阀门的开启时间，进而对不同农作物进行智能节水灌溉。

2 系统硬件的设计

硬件系统的设计都是由ZigBee模块构成的。主要包括传感器节点、阀门控制节点和网关汇集节点。这3种节点都采用了相同的电路设计思路，区别在于通过编写的程序语言的不同来实现不同的功能性能。其硬件组成如图2所示。

无线传感器必须具有无线通信、数据传感、和数据处理的功能，此外还要考虑体积小和成本低的等各方面的因素。无线传感器节点负责信息预测和传感的工作，对监控主机作出回答以及发送指令数据，一般由ZigBee模块、存储器模块、驱动输出模块、时钟模块传感器接口模块各主要部分组成。该方案充足考虑了农业自动化监控的特点，没有布线问题。低成本、节水效果显著，便于大规模机械化农业生产，可普遍推广。

3 系统软件的设计

该系统软件的设计的质量关系到整个智能节水系统的各个方面，是系统开发的重中之重。根据系统的性能分析，结合系统所需的高稳定、低功耗的特点，在本系统的软件设计当中，主要来包含四个部分：客户端、网关汇集节点、传感器节点以及阀门控制节点。传感器节点将采集到的土壤湿度数据传送到网关汇集节点，汇集节点接收处理，后将数据传送给客户端软件，客户端通过阀门控制命令控制阀门节点完成操作。其关系图如图3所示。

WSN集成了传感器、无线通信、微机电系统（MEMS）等多项技术，不仅能够实时采集研究对象的数据信息，还能够在对数据进行处理后，通过网络技术将数据传递给用户。但在绝大多数情况下，系统供能始终是一个需要解决的重大问题，当系统无法供电时，传感器也无法再进行运作。

为了延长传感器的工作时间，低功耗软件设计是需要设计者重点考虑的问题之一。

在硬件、软件设计的同时，也考虑到了能源消耗的问题。在传感器节点的软件设计当中，节点在休眠状态和运行状态之间进行操作和转换，并且传感器节点大部分的时间处在一个休眠状态下的低功耗模式。

休眠节点将封锁在无线通信模块、传感器模块和电路的一部分。节点使用定时器中断模式，每次完成抽样，发送数据交换路由信息任务，比如他们进入休眠状态，自动取样的时间醒来，再继续一个新任务。在传感器节点软件设计中，电源模块的设计至关重要，因为整个系统在工作或者待机时都需要电源模块持续不断的提供能源，而传感器节点能够提供的能量有限，所以在节点设计考虑时，要以低功耗和高效能功能为主。

4 总结

近年来，由于无线传感器网络技术日益扩大的市场，如今已被运用到各个领域。本设计思想是基于国内外节水灌溉的现状和今后发展智能灌溉的可行性和必要性，综合设计出了基于ZigBee技术的农业自动化监控系统。系统通过ZigBee无线模块的连接和土壤湿度传感器节点的数据采集，将不同地方的湿度数据发送到节水灌溉系统控制终端，通过对比事先设定的土壤湿度阙值和当前采集的土壤湿度，为自动灌溉提供决策信息，以此来完成相关功能模块的测试。得到土壤湿度控制系统运行界面进行分析。

参考文献：

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作者简介：

刘卉（1980-），女，汉族，湖南衡阳人，硕士，副教授，研究方向：无线传感器网络、智能信息处理；

曾利军（1976-），男，湖南邵东人，副教授，硕士研究生，主要研究方向：数据挖掘、最优控制、智能信息处理。