無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在西班牙南部精確農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用J.A. Lpez Riquelmea, F. Sotoa, J. Suardaza, P. Sncheza, A. Iborraa, J.A. Veraba Universidad Politcnica de Cartagena, Divisin de Sistemas e Ingeniera Electrnica, Campus Muralla del Mar, s/n, Cartagena E-30202, Spainb Edosoft Factory S.L., Mara Manrique 3, Las Palmas de Gran Canaria E-35011, Spain摘要近年來，許多應(yīng)用已經(jīng)涉及到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中之一是精確農(nóng)業(yè)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在管理灌溉水資源、掌握農(nóng)作物的最佳收獲時間、估計肥料的需求和準(zhǔn)確預(yù)測農(nóng)作物的性能等方面發(fā)揮著重要的作用。本文介紹了在半干旱的穆爾西亞區(qū)的生態(tài)園藝企業(yè)里引進(jìn)和部署一個實(shí)驗(yàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。并給出了使用四種類型節(jié)點(diǎn)（土壤節(jié)點(diǎn)，環(huán)境節(jié)點(diǎn)，水節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）來部署網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中一些節(jié)點(diǎn)連接分布在田地里的不同傳感器。這些傳感器可以測量各種土壤特性，例如溫度、體積含水量和含鹽量。對每個節(jié)點(diǎn)，從總體結(jié)構(gòu)、硬件和軟件組件方面進(jìn)行了描述。該系統(tǒng)還包括一個由放置在農(nóng)場中央室里的計算機(jī)所執(zhí)行的實(shí)時監(jiān)測應(yīng)用程序。系統(tǒng)的測試分兩個階段完成：第一階段在實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證開發(fā)設(shè)備的功能要求、網(wǎng)絡(luò)解決方案及節(jié)點(diǎn)電源管理；第二階段在農(nóng)場，評估設(shè)備的功能性能，如范圍，魯棒性和靈活性。該系統(tǒng)已成功實(shí)施到生態(tài)大白菜（甘藍(lán)）農(nóng)田里。其結(jié)果是一種通過在園藝環(huán)境下的分布式區(qū)域收集農(nóng)藝數(shù)據(jù)的低成本、高可靠性和簡單的基礎(chǔ)設(shè)施。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 精確農(nóng)業(yè) 園藝1 導(dǎo)言精確農(nóng)業(yè)的概念已經(jīng)出現(xiàn)有一段時間了。Blackmore (1994) 將它定義為“一個通過精確調(diào)整土壤和作物管理以符合每個農(nóng)田的特定條件同時保持環(huán)境質(zhì)量，來達(dá)到優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面系統(tǒng)設(shè)計”。如今，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以說是（張等人, 2002）一種估算、評估和理解發(fā)生在農(nóng)作物中的變化，以便能夠確定灌溉和肥料的需求、農(nóng)作物的生長和成熟階段、播種和收獲的最佳時間等，盡可能準(zhǔn)確的方法，換句話說，充分預(yù)測各個階段中的作物產(chǎn)量。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，重要的是要收集盡可能多關(guān)于水、土壤、植物和環(huán)境的信息。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)利用大量的技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施：數(shù)據(jù)儀器和收集系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、微電子學(xué)、無線技術(shù)等等（Chiti et al., 2005; 唐等, 2002）。許多無線技術(shù)已經(jīng)用于不同用途來實(shí)現(xiàn)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的無線傳感器（Wang et al., 2006; Camilli et al., 2007; Vellidis et al., 2008; Siuli Roy and Bandyopadhyays, 2008; Pierce and Elliot, 2008）從簡單的紅外線裝置（IrDAs）的超短程距離到移動電話的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，如支持GSM / GPRS。在這兩者之間有WPANs（無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）的短程距離，如藍(lán)牙（10米）和ZigBee（70米）和WLAN（無線局域網(wǎng)）的中間距離（100米）。Camilli et al. (2007) 描述了一個能夠提供田地參數(shù)給終端用戶的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模擬應(yīng)用程序。Pierce and Elliot (2008) 描述了為地區(qū)和農(nóng)場傳感器網(wǎng)絡(luò)及其實(shí)施在美國華盛頓州的兩個農(nóng)業(yè)應(yīng)用開發(fā)硬件和軟件組件。WSNs（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）屬于WPANs范疇(Akyildiz et al., 2002)，是一種由幾十、數(shù)百或數(shù)千個低速率智能裝置或節(jié)點(diǎn)組成的自組織Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，一般用電池供電。這些網(wǎng)絡(luò)的一些特性特別適用于精確農(nóng)業(yè)： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳恍枰潭?；?jié)點(diǎn)可任意部署和適應(yīng)不斷變化的需求。例如，傳感器節(jié)點(diǎn)可以放在農(nóng)田的任何地方、任何安排。傳感器節(jié)點(diǎn)可以直接刪除或添加，而不必重新配置所有其他節(jié)點(diǎn)。 比其他類型的網(wǎng)絡(luò)更容錯，因?yàn)楫?dāng)一個節(jié)點(diǎn)失敗時，會自動路由其他節(jié)點(diǎn)來補(bǔ)償，這歸功于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的內(nèi)在可能性。例如，如果一個作物正處于成長階段，物理訪問節(jié)點(diǎn)是復(fù)雜的，取代它不是絕對必要的。 節(jié)點(diǎn)能源消耗以這樣一種方式優(yōu)化，可以完全采用由電池或可再生能源系統(tǒng)（太陽能、風(fēng)能或液壓）供電(Morais et al., 2008)。這樣，供應(yīng)能量應(yīng)能確保節(jié)點(diǎn)的整個生命周期至少有一個農(nóng)業(yè)周期。 用于精確農(nóng)業(yè)的傳感器通常必須穩(wěn)健、準(zhǔn)確、高分辨率，因此比較昂貴（每個傳感器300美元以上），但目前的趨勢是將傳感器嵌入節(jié)點(diǎn)，可大大降低其成本。節(jié)點(diǎn)通常包含處理器、無線通信模塊、電源和一個或多個安裝在節(jié)點(diǎn)本身或連接到它的傳感器。處理器控制節(jié)點(diǎn)的所有功能（傳感器訪問、通信控制、狀態(tài)引擎執(zhí)行等）。無線通信模塊使用通信標(biāo)準(zhǔn)來傳輸和接收。最適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)需求的標(biāo)準(zhǔn)和大部分節(jié)點(diǎn)的無線模塊是IEEE 802.15.4 (IEEE, 2006)和ZigBee (Baronti et al., 2007)。為應(yīng)用而設(shè)計的這些標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速度不是很快，但它們有可能使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在不充電下由電池供電工作幾周甚至幾個月。電源的功能是使用高性能功率轉(zhuǎn)換器的電池來供應(yīng)能量。最后，在傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)點(diǎn)可以通過網(wǎng)關(guān)與計算機(jī)或其它網(wǎng)絡(luò)通信。本文介紹了在園藝農(nóng)場里引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)。其他工作最近已證明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功地應(yīng)用到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(Burrell et al., 2004; Pierce and Elliot, 2008)。該農(nóng)場位于西班牙東南部的穆爾西亞地區(qū)的坎波卡塔赫納，是歐洲最重要的園藝區(qū)之一。在氣候方面，它是一個年降雨量約400mm的半干旱區(qū)。盡管如此，190,000公頃，31的總種植面積，目前正在灌溉；51,000公頃用于種植草本作物，91,000公頃種植木本作物。該農(nóng)場已實(shí)行生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)，也稱為生物或有機(jī)耕作。這是一種尊重自然和正常排除使用化學(xué)品（農(nóng)藥、除草劑等）及轉(zhuǎn)基因種子（稱為轉(zhuǎn)基因生物）來種植作物和照料土地的方法。這種耕作方式的主要目的是保護(hù)環(huán)境、維持或提高土壤的肥力和生產(chǎn)帶有其自然屬性的食物。這家公司有長期有機(jī)耕作的經(jīng)驗(yàn)，并已率先生產(chǎn)各類園藝產(chǎn)品(Rocket, Iceberg, Romaine, Mixed Salads, etc.)。其最大的市場是英國。該農(nóng)場是中型（1000公頃）的、有250個農(nóng)田一個接一個地遍布在離坎波卡塔赫納幾公里之外。作為一個規(guī)范的研究項(xiàng)目，考慮使用10個節(jié)點(diǎn)監(jiān)測作物，成星型拓?fù)溥B接，使用一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。此外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用一個堆棧來存儲接收消息，并稍后分配一個任務(wù)來處理；支持超過10個以星型拓?fù)浞绞竭B接的節(jié)點(diǎn)。然后，這方面工作的最終目的是為農(nóng)場提供所必需的基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)時確定作物的缺水狀況，并做出適當(dāng)?shù)臎Q策。研究實(shí)例被設(shè)計成擁有兩個傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測不同的參數(shù)。第一個網(wǎng)絡(luò)收集土壤的溫度、濕度和鹽度，而第二個網(wǎng)絡(luò)記錄環(huán)境的溫度和濕度。此外，一個獨(dú)立的無線傳感器被安放在一個池塘里測量作物供給水的鹽度。這些子網(wǎng)和獨(dú)立的無線傳感器通過適當(dāng)?shù)木W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送所有數(shù)據(jù)到設(shè)在中央農(nóng)場辦公室的基站節(jié)點(diǎn)，在那里制作關(guān)于作物的決策。設(shè)計和開發(fā)了不同的網(wǎng)絡(luò)，低成本的特定節(jié)點(diǎn)（不帶傳感器約150$），以及連接網(wǎng)絡(luò)和中央辦公室的網(wǎng)關(guān)。一個后臺監(jiān)控應(yīng)用程序被開發(fā)出來控制所有的設(shè)備和記錄所收到的信息到一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫，以用來制作灌溉策略。在導(dǎo)言之后，第2節(jié)將介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的實(shí)驗(yàn)情況。第3節(jié)給出詳細(xì)的描述，從硬件和軟件、設(shè)備開發(fā)到系統(tǒng)實(shí)施。第4節(jié)概述后臺監(jiān)控軟件的開發(fā)。第5節(jié)詳述技術(shù)和農(nóng)藝結(jié)果。最后，第6節(jié)提出總結(jié)和今后繼續(xù)開展這項(xiàng)工作的計劃。2 實(shí)驗(yàn)情況 提出農(nóng)藝問題的解決安排如圖1所示。這包括兩個傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個獨(dú)立的無線傳感器。第一個傳感器網(wǎng)絡(luò)由10個土壤節(jié)點(diǎn)組成，每個節(jié)點(diǎn)連接兩個埋在20或40厘米深的土壤里的Stevens Hydra Probe II傳感器。這些傳感器可以測量各種土壤特性，如溫度、體積含水率、鹽度等。第二個網(wǎng)絡(luò)由10個環(huán)境節(jié)點(diǎn)組成，使用Sensirion SHT71傳感器測量環(huán)境溫度和濕度。圖1基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的園藝作物監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的田地實(shí)施插圖除了這些傳感器網(wǎng)絡(luò)，一個無線傳感器，稱為水節(jié)點(diǎn)，被安放在一個用于灌溉農(nóng)場的池塘里。無線傳感器的目的是來測量基于水電導(dǎo)率的鹽度和溫度，以便確定用來灌溉作物的水質(zhì)。該傳感器是Stevens EC 250。適用于傳感器的遠(yuǎn)程無線模塊，允許與5.5公里以外的基站直接通信。這些節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)將在下文中詳細(xì)說明。表1總結(jié)了傳感器的主要特點(diǎn)。 這兩個傳感器網(wǎng)絡(luò)分別遠(yuǎn)離中心電腦5.2和8.7公里。為了保證系統(tǒng)的無線覆蓋，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用和在水節(jié)點(diǎn)里同樣的技術(shù)，使用遠(yuǎn)距離無線模塊。每個傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通過IEEE 802.15.4互連。為什么使用這一標(biāo)準(zhǔn)，將在下一節(jié)詳細(xì)說明軟件架構(gòu)時解釋。當(dāng)消息通過網(wǎng)關(guān)到達(dá)中心計算機(jī)，中心計算機(jī)監(jiān)控應(yīng)用程序處理和檢查其來源及其所包含的信息。消息存儲在一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫，其中保存了傳感器收集到的數(shù)據(jù)和各時期的歷史記錄。表2概述已開發(fā)和部署在農(nóng)場的各種不同設(shè)備的特點(diǎn)。以下各節(jié)將詳細(xì)說明每一個已開發(fā)的節(jié)點(diǎn)、需求和監(jiān)測應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)。表1總結(jié)所使用傳感器的主要特點(diǎn)表2 總結(jié)農(nóng)場已開發(fā)的設(shè)備3 設(shè)備開發(fā)在上一節(jié)我們看到，選擇用來處理所提出問題的解決方案是使用節(jié)點(diǎn)（土壤節(jié)點(diǎn)、環(huán)境節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）布置兩個傳感器網(wǎng)絡(luò)，一個測量水質(zhì)的無線傳感器和在中央辦公室的兩個節(jié)點(diǎn)（在屋頂上的中繼節(jié)點(diǎn)和連接到監(jiān)測電腦的基站節(jié)點(diǎn)）。本文所描述的設(shè)備是在ESNA（European Sensor Network Architecture, 歐洲傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)）背景和RIMSI項(xiàng)目下開發(fā)的，是為了滿足各種網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的需求（長至10公里），以及是因?yàn)闆]有節(jié)點(diǎn)適合農(nóng)業(yè)工具市場上提供的SDI-12標(biāo)準(zhǔn) (SDI, 2005)。在設(shè)計這些設(shè)備時考慮到的主要需求有：（1）魯棒的無線技術(shù)；（2）低成本、低功耗的電子設(shè)備；（3）長期能源的使用和減少大?。s2700 mAh）；（4）連接不同類型的外置傳感器的輸入/輸出接口的使用 (SDI-12, I2C, 420mA)。下面詳細(xì)列出每個節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)、使用的傳感器、節(jié)點(diǎn)功能和軟件組件的開發(fā)。作為ESNA和RIMSI項(xiàng)目的結(jié)果，有一個設(shè)備開發(fā)的在線視頻：http:/www.dsie.upct.es/proyectos/projects.html。3.1 土壤節(jié)點(diǎn) 圖2顯示了土壤節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)及其在田地的放置。土壤節(jié)點(diǎn)由一個微控制器、一個短程無線電收發(fā)器、一個SDI-12接口、兩個DC/DC轉(zhuǎn)換器和一套電池組成（見圖2a和b）。所有元件放入IP67保護(hù)等級的水密箱里。圖2土壤節(jié)點(diǎn)和Hydra Probe II傳感器的各種觀察視圖微控制器選擇德州儀器的Msp430F1611，使用TinyOS version 2 編程 (Tiny, 2008) (Hill et al., 2000)。所有其他節(jié)點(diǎn)都使用相同的微控制器。短程無線模塊使用CC2420（Chipcon），也來自德州儀器。該模塊與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、帶寬為250 Kbps、2.4GHz的無線通信來交換數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和辦公室之間的網(wǎng)關(guān)。能量由連接到第二個DC/DC轉(zhuǎn)換器的三個AA NiMH 2700mAh可充電電池供應(yīng)。這個轉(zhuǎn)換器提供2.5伏直流電給節(jié)點(diǎn)的所有組件。我們將在第5節(jié)看到，這些電池持續(xù)了7個月左右，對于一個正常的農(nóng)事季節(jié)來說這能保證足夠多的時間。每一個節(jié)點(diǎn)通過SDI-12接口連接兩個Stevens Hydra Probe II (HP2)傳感器（見圖2c）。 SDI-12是1200波特率的串行數(shù)據(jù)接口。這是一個連接電池供電的數(shù)據(jù)記錄器與基于微處理器的用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集的傳感器的接口標(biāo)準(zhǔn)。HP2是一個原位土壤傳感系統(tǒng)，能測量22種不同的土壤參數(shù)，同時以數(shù)字形式輸出。它即刻計算出土壤水分、電導(dǎo)率/鹽度和溫度。土壤節(jié)點(diǎn)從HP2傳感器監(jiān)測四種參數(shù)（土壤溫度、土壤鹽分ClNa的g/l、土壤水分的體積百分比和隨溫度校正的土壤電導(dǎo)率S/m）；用戶可在接收端PC機(jī)配置采樣周期，范圍在30分鐘到48小時之內(nèi)。因?yàn)椴蓸油ǔＪ前葱r的，決定于每個讀周期發(fā)送讀取的數(shù)據(jù)，因而結(jié)合實(shí)時數(shù)據(jù)的可用性，以及合理的能量消耗。該器件還監(jiān)測電池電壓，當(dāng)達(dá)到臨界水平時發(fā)出了一個信號。該節(jié)點(diǎn)使用TinyOS 2.0操作系統(tǒng)編程，相關(guān)的編程語言為nesC (Gay et al., 2003)，這是專用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的。TinyOS是一個設(shè)計用來運(yùn)行在分布式嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作環(huán)境。nesC被創(chuàng)建為C編程語言的延伸，使用“wired”組件來運(yùn)行TinyOS上的應(yīng)用。組件使用接口相互連接。TinyOS為通用抽象提供接口和組件，如數(shù)據(jù)包通信、路由、傳感、驅(qū)動和存儲。TinyOS是一個眾所周知的新無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)的可選替代，并提供可重復(fù)使用的組件，以確保遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的可靠通信，并支持許多硬件（微控制器、收發(fā)器、傳感器）。此外，還有一個用nesC撰寫的ZigBee (Open-ZB) 實(shí)現(xiàn)。起先作者不知道多跳路由協(xié)議是否可能需要。為此，和其他原因，如：（1）TinyOS是一個開放的源代碼，（2）當(dāng)需要的時候允許應(yīng)用軟件直接訪問硬件，（3）支持多種硬件平臺，TinyOS被選擇用來開發(fā)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用軟件。3.2 環(huán)境節(jié)點(diǎn)為了便于閱讀，以下我們不討論其他節(jié)點(diǎn)與土壤節(jié)點(diǎn)的共同點(diǎn)，只討論新的元件和功能的細(xì)節(jié)。 環(huán)境節(jié)點(diǎn)（見圖3）記錄作物的環(huán)境溫度和濕度參數(shù)。正如我們在圖3a和b中看到的，節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)類似于土壤節(jié)點(diǎn)，除了與外部傳感器的接口。圖3環(huán)境節(jié)點(diǎn)的各種觀察視圖每個節(jié)點(diǎn)通過I2C接口連接Sensirion SHT71傳感器（見圖3c），放置在一個離地面1米半高的日光保護(hù)罩里。這些類型的節(jié)點(diǎn)采取引用參數(shù)讀數(shù)的最高頻率為2個讀數(shù)/小時。環(huán)境節(jié)點(diǎn)放置在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)周圍半徑約100米之內(nèi)的地方。最初安排這個網(wǎng)絡(luò)包括10個節(jié)點(diǎn)。同樣，該節(jié)點(diǎn)也使用TinyOS編程。SensirionSht11C組件用來滿足上文所述的功能。此外， Msp430ADC0C用于采樣微處理器的ADC0模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以確定當(dāng)電池電壓低于某一閾值時，發(fā)出低能量警報。3.3 水節(jié)點(diǎn)水節(jié)點(diǎn)（見圖4）測量用于灌溉作物的池塘水的溫度和鹽度。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)通過使用適合戶外8dBi全向性天線的遠(yuǎn)程無線模塊(XStream X24-019PKI-RA radio modem)直接與辦公室連接通信。其余結(jié)構(gòu)和前述節(jié)點(diǎn)的非常相似（見圖4a和b）。Stevens EC 250傳感器淹沒在池塘里。這兩個傳感器輸出（溫度和鹽度）420mA的信號；當(dāng)電流回路穿過一個電阻器后，微控制器的ADC0和ADC1轉(zhuǎn)換器讀取這兩個傳感器。讀取這些參數(shù)的最高參數(shù)頻率是2讀數(shù)/小時。節(jié)點(diǎn)由太陽能電池板供電，并封裝在放置池塘邊的水密箱里。其天線安裝在約4米高的桅桿上。圖4 水節(jié)點(diǎn)的各種觀察視圖EC250C組件再次使用TinyOS來開發(fā)，以滿足上文所述的功能。3.4 網(wǎng)關(guān)、基站和中繼節(jié)點(diǎn)正如我們在圖1中看到的，設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施需要兩個傳感器網(wǎng)絡(luò)及無線傳感器與辦公室互連：（1）每個傳感器網(wǎng)絡(luò)一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其中一個網(wǎng)絡(luò)基于環(huán)境節(jié)點(diǎn)，另外一個基于土壤節(jié)點(diǎn)；（2）中繼節(jié)點(diǎn)位于辦公樓屋頂；（3）基站節(jié)點(diǎn)放置在辦公室內(nèi)，物理連接到監(jiān)測電腦。圖5a和b詳細(xì)顯示了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)圖像及其硬件架構(gòu)框圖。微控制器與作物節(jié)點(diǎn)通過短距離無線模塊進(jìn)行通信，而與在辦公室處的中繼節(jié)點(diǎn)通過遠(yuǎn)程無線模塊通信。由于采用可充電太陽能電池，能量供應(yīng)壽命已經(jīng)足夠。太陽能電池板是Zodiac Solar的TPS 102/5 (12V, 5W) 面板，成30角安裝。在最壞的情況下，在卡塔赫納區(qū)的平均太陽輻射在這個角度測試時為4600 Wh/m2。網(wǎng)關(guān)能耗為7.8瓦時。因此，面板能給節(jié)點(diǎn)能耗提供更多的能量。圖5c顯示節(jié)點(diǎn)系在農(nóng)場的桅桿上。為了確?；竟?jié)點(diǎn)有足夠的覆蓋面，主天線架設(shè)在高約9米的辦公室屋頂。主天線和基站節(jié)點(diǎn)之間的無線連接也是通過中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)?；竟?jié)點(diǎn)收集傳感器網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的所有信息（在中繼節(jié)點(diǎn)的幫助下），并傳輸?shù)介_發(fā)用來處理網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測應(yīng)用程序。同樣，軟件應(yīng)用程序可廣播任何命令給傳感器網(wǎng)絡(luò)。該節(jié)點(diǎn)由連接3dBi全向天線的遠(yuǎn)程無線模塊（2.4 GHz）和一個用于連接中心計算機(jī)的RS-232接口組成。中繼節(jié)點(diǎn)是一個配置為轉(zhuǎn)發(fā)器模式的商業(yè)無線電調(diào)制解調(diào)器，連接到一個8dBi的全向性天線。在戶外可提供了16公里的視距覆蓋范圍。圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的各種觀察視圖4 監(jiān)控應(yīng)用程序監(jiān)控應(yīng)用程序由以下集成：（1）圖形用戶界面（GUI）顯示從傳感器讀取到的數(shù)據(jù)，（2）接收和存儲節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的程序。這兩個程序使用Java編程語言、Eclipse環(huán)境和MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)。這些應(yīng)用程序的基本特點(diǎn)可歸納如下：1 圖形用戶界面，包括使用Google Maps所提供的實(shí)用程序定位設(shè)備的位置。這樣，我們就能確定每個節(jié)點(diǎn)和作物的確切地理位置（見圖6）。2 傳感器讀取的數(shù)據(jù)定期發(fā)送到基站并存儲在數(shù)據(jù)庫里（程序等待一個事件觸發(fā)，表明串口有數(shù)據(jù)）。GUI將讀取這些數(shù)據(jù)并實(shí)時圖形可視化它們。此外，用戶應(yīng)用程序可修改采樣周期。3 數(shù)據(jù)庫詳細(xì)存儲部署的節(jié)點(diǎn)、其匯聚區(qū)域、集成在每一個節(jié)點(diǎn)的傳感器、讀取歷史記錄、傳感器類型、傳感器和地區(qū)發(fā)出警報的歷史記錄（例如電池失效、低于某一閾值等）。頂部的菜單欄提供了如上所述的選項(xiàng)（見圖6）。屏幕右邊的谷歌地圖用來描述部署節(jié)點(diǎn)的地理位置。左邊三個表顯示從傳感器讀取的最新數(shù)據(jù)，而三個網(wǎng)絡(luò)顯示在右側(cè)。表格之下的圖形按用戶選擇的時間間隔顯示數(shù)據(jù)，或者提供收集到的最新數(shù)據(jù)。土壤和環(huán)境節(jié)點(diǎn)都提供以下服務(wù)：改變傳感器的采樣周期和配置設(shè)備按每小時電池供電發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)電池充電嚴(yán)重不足時，它們觸發(fā)警報信號。此外，土壤節(jié)點(diǎn)還提供其他服務(wù)，如：設(shè)定土壤類型、配置測量數(shù)據(jù)集、設(shè)定灌溉水量和建立預(yù)熱時間。請注意，所有服務(wù)都提供了發(fā)送一個特殊的數(shù)據(jù)組合來設(shè)置采樣周期。圖6 監(jiān)測應(yīng)用程序的主視圖5 結(jié)果實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法包括兩個階段：第一個階段在實(shí)驗(yàn)室，第二個階段在田地里。在第一階段部署所有的子網(wǎng)（只用四個節(jié)點(diǎn)作為土壤節(jié)點(diǎn)和環(huán)境節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)的例子）、兩個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、基站和中繼節(jié)點(diǎn)。這一階段的主要作用是驗(yàn)證所提出的硬件和軟件解決方案。驗(yàn)證沒有使用低能耗技術(shù)的硬件與軟件版本。一旦保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，下一步是審查軟件，以便合并低能耗模式到所有節(jié)點(diǎn)，除了主要部分的供電（基站和中繼節(jié)點(diǎn)）。這樣，我們達(dá)到系統(tǒng)的充分自治，以確保節(jié)點(diǎn)可以運(yùn)作整個園藝周期（10周）。第二階段的目標(biāo)是，在實(shí)際農(nóng)場條件下進(jìn)行驗(yàn)證，評估所開發(fā)裝置的功能性能，如范圍、魯棒性和靈活性。為了達(dá)到所開發(fā)系統(tǒng)結(jié)果實(shí)現(xiàn)的充分評估，從以下觀點(diǎn)進(jìn)行了分析：（1）從設(shè)備開發(fā)和技術(shù)使用的角度來看；（2）從農(nóng)業(yè)的角度來看。這些方面將在下文討論，并特別強(qiáng)調(diào)最重要的點(diǎn)。5.1 看作設(shè)備的結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室的功能驗(yàn)證后，所開發(fā)的裝置重編程為低能耗模式，因該模式最適合運(yùn)行在田地里。這一運(yùn)作模式的詳細(xì)研究表明有必要確保整個農(nóng)業(yè)周期的自治。下文介紹針對土壤節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的研究：這項(xiàng)研究與所有其他節(jié)點(diǎn)相同。土壤節(jié)點(diǎn)有四個功能狀態(tài)：休眠、無線電待機(jī)接收消息、傳感器數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)傳輸。圖7顯示了節(jié)點(diǎn)在每一個狀態(tài)的能耗。就其本身而言，表3列出了節(jié)點(diǎn)在每一個狀態(tài)的能耗和時間。最壞的情況是采用平均能耗，從兩個傳感器每30分鐘采集和傳輸數(shù)據(jù)。本研究的最終目的是，確定節(jié)點(diǎn)的平均能耗是多少，將由此得出的數(shù)字直接關(guān)聯(lián)電池的電能，從而確定該設(shè)備的自治時間。節(jié)點(diǎn)的平均能耗可以如下確定：表達(dá)式（2）表明待機(jī)能耗。表達(dá)式（3）表示節(jié)點(diǎn)在接收模式為每10秒15毫秒脈沖時的平均能耗。表達(dá)式（4）和（5）反映類似的計算，僅乘以二，這是許多連接到每個節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)目。表達(dá)式（1）給出了土壤節(jié)點(diǎn)的平均電流消耗，大約0.5035毫安。由于土壤節(jié)點(diǎn)的電池是2700mA/H，其估計自治時間為223天，足以保證正常運(yùn)作整個農(nóng)業(yè)或園藝季節(jié)。其他設(shè)備的能耗研究與土壤節(jié)點(diǎn)一樣遵循同樣的過程。結(jié)果總結(jié)見表3。節(jié)點(diǎn)安置在田地如此消耗后，驗(yàn)證測試持續(xù)了9個星期以上，沒有收到任何設(shè)備的低電量警報，這表明太陽能電池板工作正常以及驗(yàn)證能耗評估。圖7 設(shè)備的自治研究表3 不同設(shè)備的能耗和自治時間為了覆蓋設(shè)備，放在辦公室內(nèi)的基站節(jié)點(diǎn)，使用3dBi全向天線。由于建筑的覆蓋狀況，中繼節(jié)點(diǎn)不得不從一開始就放在屋頂上。這提供了中繼節(jié)點(diǎn)和配備XStream的節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)和水節(jié)點(diǎn)）之間達(dá)10公里的覆蓋面。所有裝在戶外的8dBi全向性天線，安裝在四米高的桅桿上，以避免任何障礙。一旦傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)定位好，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與土壤節(jié)點(diǎn)之間的最大覆蓋范圍是50米，和環(huán)境節(jié)點(diǎn)的100米。土壤節(jié)點(diǎn)放置在園藝作物里。因?yàn)樽魑镓S富的根部，傳感器需埋入20或40厘米深的土壤里。和環(huán)境節(jié)點(diǎn)不同，土壤節(jié)點(diǎn)放在地面上，因而覆蓋較差。當(dāng)土壤節(jié)點(diǎn)第一次安裝時，作物的頂部略高于地面，所以節(jié)點(diǎn)工作完美。然而，幾個月后它們停止了工作，當(dāng)作物開始向上長時。這個問題已經(jīng)解決，將原來天線替換為3dBi全方位版本。5.2 農(nóng)業(yè)成果驗(yàn)證測試在位于西班牙東南部的坎波卡塔赫納區(qū)（374426N, 11338W）占地4公頃的生態(tài)作物大白菜(Brassica oleracea L. var. Capitata)里進(jìn)行。在2008年2月最后一個星期移植幼苗（種植密度為每平方米7株），10個星期后（2008年5月的第二周）作物收獲。在40厘米深的作物土壤特性是：粘壤土質(zhì)地，總碳酸鹽35.4 p.100，磷（Olsen）78.6ppm，鉀（Ac-NH4）487.0ppm。滴灌系統(tǒng)埋在兩行作物之間和每0.20米安裝1升/小時的發(fā)射嘴。使用噴灑化肥給作物施肥。在3月的第一個星期部署節(jié)點(diǎn)，這時農(nóng)場主開始收集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。土壤節(jié)點(diǎn)的傳感器置于20厘米和40厘米深的作物底下。在此期間，有80mm累積雨量，達(dá)65 km/h的中等強(qiáng)風(fēng)和溫和的溫度（平均15.2）。圖8顯示了10周內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)（土壤濕度和空氣溫度）。Hydra Probe傳感器提供準(zhǔn)確的土壤濕度測量，水容積的單位為體積（wfv或m3m3）。也就是說，土壤里的水的比例以十進(jìn)制形式顯示。例如，0.20 wfv水含量意味著一公升的土壤樣品含有200毫升的水。充分飽和度（所有土壤孔隙空間裝滿了水）通常發(fā)生0.5和0.6 wfv之間，并且相當(dāng)依賴土壤。節(jié)點(diǎn)被驗(yàn)證能正常運(yùn)行。這為類似的氣候條件提供了一些魯棒性保證。圖8 10周監(jiān)測過程的記錄數(shù)據(jù)在介紹此技術(shù)之前，公司用傳統(tǒng)方式監(jiān)測其作物，即一個人用適當(dāng)?shù)谋銛y設(shè)備觀察作物和池塘來衡量相關(guān)的農(nóng)藝參數(shù)。現(xiàn)在，使用所開發(fā)的技術(shù)，作物變量可以實(shí)時確定，作物的水需求不用派人去觀察它們就可以估算。農(nóng)場團(tuán)隊(duì)可以實(shí)時監(jiān)測保持白菜生長的最佳條件（鹽度范圍為24 mmhos/cm，溫度在10和24之間，相對濕度在60-90的范圍）。6 總結(jié)在這里描述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一個真正監(jiān)測作物土壤和環(huán)境狀況的機(jī)會。該系統(tǒng)成功地在所需精度下監(jiān)測了生態(tài)白菜作物的整個生長期。農(nóng)場團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在能夠收集更全面和更準(zhǔn)確的空間和時間數(shù)據(jù)。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)受益于把高技術(shù)融合到通信和信息技術(shù)領(lǐng)域。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收集在廣泛范圍內(nèi)的土壤和環(huán)境條件測量值的能力是該系統(tǒng)設(shè)計的根本要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的明顯優(yōu)勢是能顯著減少和簡化布線、更快地部署、無限制安裝傳感器的靈活性、以及更好的移動性。盡管這項(xiàng)技術(shù)潛力很大，但一些困難已被發(fā)現(xiàn)（缺乏有經(jīng)驗(yàn)的工作人員解決問題、傳感器成本高、電源供應(yīng)問題等等）。結(jié)果的良好獲得，刺激去適配基礎(chǔ)設(shè)施部署到其他情況下，將新的土壤和環(huán)境參數(shù)結(jié)合到不同類型的園藝作物。需要在不同情況下重用基礎(chǔ)設(shè)施的主要努力是允許農(nóng)場辦公室和網(wǎng)關(guān)之間的最大距離（達(dá)到10公里）。中期報告的目的是建立一個專家系統(tǒng)，以協(xié)助灌溉管理，結(jié)合氣候（ET）和土壤水分平衡模型來估算作物需水量，優(yōu)化灌溉編程和遠(yuǎn)程操縱灌溉設(shè)備的能力。鳴謝 作者要感謝為支持這項(xiàng)工作的西班牙工業(yè)部，Edosoft Factory S.L.，RIMSI項(xiàng)目（FIT-330100-2006-173）和ESNA（ITEA 2006），F(xiàn)undacin Sneca of the Murcia Region (refs. ID-02998/PI/05, 08754/PI/08)和CICYT MEDWSA（ref. TIN1006-15175-C05-02），教育和科學(xué)部。作者也感謝反饋寶貴意見的匿名評審們。參考文獻(xiàn)Akyildiz, I.F., Su,W., Sankarasubramaniam, Y., Cayirci, E., 2002. Wireless sensor networks: a survey. Comput. Networks 38, 393422.Baronti, P., Pillai, P., Chook, V.W., Chessa, S., Gotta, A., Fu, Y.F., 2007. Wireless Sensor Networks: a survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards. Comput. Commun. 30, 16551695.Blackmore, S., 1994. Precision farming: and introduction. Outlook Agr. 23, 275280.Burrell, J., Brooke, T., Beckwith, R., 2004. Vineyard computing: sensor networks in agricultural production. IEEE Pervas. Comput. 3, 3845.Camilli, A., Cugnasca, C.E., Saraiva, A.M., Hirakawa, A.R., Corra, L.P., 2007. From wireless sensor to field mapping: Anatomy of an application for precision agriculture. Comput. Electron. Agr. 58, 2536.Chiti, F., De Cristofaro, A., Fantacci, R., Tarchi, D., Collodo, G., Giorgetti, G., Manes, A., 2005. 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