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文檔簡介
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確預測農(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)里引進和部署一個實驗傳感器網(wǎng)絡(luò)。并給出了使用四種類型節(jié)點(土壤節(jié)點,環(huán)境節(jié)點,水節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點)來部署網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu),其中一些節(jié)點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,從總體結(jié)構(gòu)、硬件和軟件組件方面進行了描述。該系統(tǒng)還包括一個由放置在農(nóng)場中央室里的計算機所執(zhí)行的實時監(jiān)測應(yīng)用程序。系統(tǒng)的測試分兩個階段完成:第一階段在實驗室,驗證開發(fā)設(shè)備的功能要求、網(wǎng)絡(luò)解決方案及節(jié)點電源管理;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)已成功實施到生態(tài)大白菜(甘藍)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,來達到優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面系統(tǒng)設(shè)計”。如今,精準農(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,盡可能準確的方法,換句話說,充分預測各個階段中的作物產(chǎn)量。為了實現(xiàn)這一目標,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、無線技術(shù)等等(Chiti et al., 2005; 唐等, 2002)。許多無線技術(shù)已經(jīng)用于不同用途來實現(xiàn)在精準農(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)拓撲不需要固定;節(jié)點可任意部署和適應(yīng)不斷變化的需求。例如,傳感器節(jié)點可以放在農(nóng)田的任何地方、任何安排。傳感器節(jié)點可以直接刪除或添加,而不必重新配置所有其他節(jié)點。 比其他類型的網(wǎng)絡(luò)更容錯,因為當一個節(jié)點失敗時,會自動路由其他節(jié)點來補償,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)點是復雜的,取代它不是絕對必要的。 節(jié)點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,可大大降低其成本。節(jié)點通常包含處理器、無線通信模塊、電源和一個或多個安裝在節(jié)點本身或連接到它的傳感器。處理器控制節(jié)點的所有功能(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準來傳輸和接收。最適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)需求的標準和大部分節(jié)點的無線模塊是IEEE 802.15.4 (IEEE, 2006)和ZigBee (Baronti et al., 2007)。為應(yīng)用而設(shè)計的這些標準的傳輸速度不是很快,但它們有可能使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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)點可以通過網(wǎng)關(guān)與計算機或其它網(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)的實驗。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)場已實行生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗,也稱為生物或有機耕作。這是一種尊重自然和正常排除使用化學品(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耕作的經(jīng)驗,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)范的研究項目,考慮使用10個節(jié)點監(jiān)測作物,成星型拓撲連接,使用一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點。此外,網(wǎng)關(guān)節(jié)點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個以星型拓撲方式連接的節(jié)點。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,實時確定作物的缺水狀況,并做出適當?shù)臎Q策。研究實例被設(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)和獨立的無線傳感器通過適當?shù)木W(wǎng)關(guān)節(jié)點發(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,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(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。在導言之后,第2節(jié)將介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的實驗情況。第3節(jié)給出詳細的描述,從硬件和軟件、設(shè)備開發(fā)到系統(tǒng)實施。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)開展這項工作的計劃。2 實驗情況 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)點組成,每個節(jié)點連接兩個埋在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,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)點的硬件和軟件實現(xiàn)將在下文中詳細說明。表1總結(jié)了傳感器的主要特點。 這兩個傳感器網(wǎng)絡(luò)分別遠離中心電腦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)點使用和在水節(jié)點里同樣的技術(shù),使用遠距離無線模塊。每個傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通過IEEE 802.15.4互連。為什么使用這一標準,將在下一節(jié)詳細說明軟件架構(gòu)時解釋。當消息通過網(wǎng)關(guān)到達中心計算機,中心計算機監(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。以下各節(jié)將詳細說明每一個已開發(fā)的節(jié)點、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(土壤節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點)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(在屋頂上的中繼節(jié)點和連接到監(jiān)測電腦的基站節(jié)點)。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),以及是因為沒有節(jié)點適合農(nóng)業(yè)工具市場上提供的SDI-12標準 (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)。下面詳細列出每個節(jié)點的硬件架構(gòu)、使用的傳感器、節(jié)點功能和軟件組件的開發(fā)。作為ESNA和RIMSI項目的結(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 圖2顯示了土壤節(jié)點的硬件和軟件實現(xiàn)及其在田地的放置。土壤節(jié)點由一個微控制器、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保護等級的水密箱里。圖2土壤節(jié)點和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)點通過遵循IEEE 802.15.4標準、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)點充當傳感器網(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準。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、電導率/鹽度和溫度。土壤節(jié)點從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率S/m);用戶可在接收端PC機配置采樣周期,范圍在30分鐘到48小時之內(nèi)。因為采樣通常是按小時的,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,當達到臨界水平時發(fā)出了一個信號。該節(jié)點使用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,并提供可重復使用的組件,以確保遵循IEEE 802.15.4標準的可靠通信,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)點的應(yīng)用軟件。3.2 環(huán)境節(jié)點為了便于閱讀,以下我們不討論其他節(jié)點與土壤節(jié)點的共同點,只討論新的元件和功能的細節(jié)。 環(huán)境節(jié)點(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)點的架構(gòu)類似于土壤節(jié)點,除了與外部傳感器的接口。圖3環(huán)境節(jié)點的各種觀察視圖每個節(jié)點通過I2C接口連接Sensirion SHT71傳感器(見圖3c),放置在一個離地面1米半高的日光保護罩里。這些類型的節(jié)點采取引用參數(shù)讀數(shù)的最高頻率為2個讀數(shù)/小時。環(huán)境節(jié)點放置在網(wǎng)關(guān)節(jié)點周圍半徑約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。同樣,該節(jié)點也使用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)點水節(jié)點(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)點通過使用適合戶外8dBi全向性天線的遠程無線模塊(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,其中一個網(wǎng)絡(luò)基于環(huán)境節(jié)點,另外一個基于土壤節(jié)點;(2)中繼節(jié)點位于辦公樓屋頂;(3)基站節(jié)點放置在辦公室內(nèi),物理連接到監(jiān)測電腦。圖5a和b詳細顯示了網(wǎng)關(guān)節(jié)點圖像及其硬件架構(gòu)框圖。微控制器與作物節(jié)點通過短距離無線模塊進行通信,而與在辦公室處的中繼節(jié)點通過遠程無線模塊通信。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)點能耗提供更多的能量。圖5c顯示節(jié)點系在農(nóng)場的桅桿上。為了確保基站節(jié)點有足夠的覆蓋面,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)點之間的無線連接也是通過中繼節(jié)點實現(xiàn)?;竟?jié)點收集傳感器網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的所有信息(在中繼節(jié)點的幫助下),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)點由連接3dBi全向天線的遠程無線模塊(2.4 GHz)和一個用于連接中心計算機的RS-232接口組成。中繼節(jié)點是一個配置為轉(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)用程序的基本特點可歸納如下:1 圖形用戶界面,包括使用Google Maps所提供的實用程序定位設(shè)備的位置。這樣,我們就能確定每個節(jié)點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)庫詳細存儲部署的節(jié)點、其匯聚區(qū)域、集成在每一個節(jié)點的傳感器、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(見圖6)。屏幕右邊的谷歌地圖用來描述部署節(jié)點的地理位置。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)。當電池充電嚴重不足時,它們觸發(fā)警報信號。此外,土壤節(jié)點還提供其他服務(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)果實現(xiàn)目標的方法包括兩個階段:第一個階段在實驗室,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)點作為土壤節(jié)點和環(huán)境節(jié)點子網(wǎng)的例子)、兩個網(wǎng)關(guān)節(jié)點、基站和中繼節(jié)點。這一階段的主要作用是驗證所提出的硬件和軟件解決方案。驗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,除了主要部分的供電(基站和中繼節(jié)點)。這樣,我們達到系統(tǒng)的充分自治,以確保節(jié)點可以運作整個園藝周期(10周)。第二階段的目標是,在實際農(nóng)場條件下進行驗證,評估所開發(fā)裝置的功能性能,如范圍、魯棒性和靈活性。為了達到所開發(fā)系統(tǒng)結(jié)果實現(xiàn)的充分評估,從以下觀點進行了分析:(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,并特別強調(diào)最重要的點。5.1 看作設(shè)備的結(jié)果在實驗室的功能驗證后,所開發(fā)的裝置重編程為低能耗模式,因該模式最適合運行在田地里。這一運作模式的詳細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)點進行的研究:這項研究與所有其他節(jié)點相同。土壤節(jié)點有四個功能狀態(tài):休眠、無線電待機接收消息、傳感器數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)傳輸。圖7顯示了節(jié)點在每一個狀態(tài)的能耗。就其本身而言,表3列出了節(jié)點在每一個狀態(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)點的平均能耗可以如下確定:表達式(2)表明待機能耗。表達式(3)表示節(jié)點在接收模式為每10秒15毫秒脈沖時的平均能耗。表達式(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)點的傳感器數(shù)目。表達式(1)給出了土壤節(jié)點的平均電流消耗,大約0.5035毫安。由于土壤節(jié)點的電池是2700mA/H,其估計自治時間為223天,足以保證正常運作整個農(nóng)業(yè)或園藝季節(jié)。其他設(shè)備的能耗研究與土壤節(jié)點一樣遵循同樣的過程。結(jié)果總結(jié)見表3。節(jié)點安置在田地如此消耗后,驗證測試持續(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,使用3dBi全向天線。由于建筑的覆蓋狀況,中繼節(jié)點不得不從一開始就放在屋頂上。這提供了中繼節(jié)點和配備XStream的節(jié)點(網(wǎng)關(guān)和水節(jié)點)之間達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)點定位好,網(wǎng)關(guān)節(jié)點與土壤節(jié)點之間的最大覆蓋范圍是50米,和環(huán)境節(jié)點的100米。土壤節(jié)點放置在園藝作物里。因為作物豐富的根部,傳感器需埋入20或40厘米深的土壤里。和環(huán)境節(jié)點不同,土壤節(jié)點放在地面上,因而覆蓋較差。當土壤節(jié)點第一次安裝時,作物的頂部略高于地面,所以節(jié)點工作完美。然而,幾個月后它們停止了工作,當作物開始向上長時。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,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65 km/h的中等強風和溫和的溫度(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,并且相當依賴土壤。節(jié)點被驗證能正常運行。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?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)場團隊可以實時監(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)場團隊現(xiàn)在能夠收集更全面和更準確的空間和時間數(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。盡管這項技術(shù)潛力很大,但一些困難已被發(fā)現(xiàn)(缺乏有經(jīng)驗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)化灌溉編程和遠程操縱灌溉設(shè)備的能力。鳴謝 作者要感謝為支持這項工作的西班牙工業(yè)部,Edosoft Factory S.L.,RIMSI項目(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),教育和科學部。作者也感謝反饋寶貴意見的匿名評審們。參考文獻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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