基于无线传感器网络技术的农田环境监测系统

王佳茹

摘要：随着工业化的迅猛发展，现在很多地区的农田环境监测已经逐步迈向了智能化，对农田的监测已经不再依靠简单的人工模式，但使用的手段大多数依赖于无线通信业务，不符合现代农田环境监测发展方向，也在一定程度上阻碍了农田环境监测的进一步发展。本文的设计目标是通过监测节点、未知节点、数据汇聚节点和远程监视中心点搭建一个ZigBee网络，能实时采集到的农田环境参数并通过无线传输方式，发送到云端网络随时查看。

关键词：农田环境监测、无线传感器网络、ZigBee网络

1系统总体设计

基于无线传感器网络农田环境检测系统主要用于实时监测农田的环境信息，需要实现农田内部多项环境信息的采集、无线传输、收集和处理。

1.1结合农田的环境信息和作物生长信息，监测系统需要满足环境信息测量项目于范围，并且保证其可靠性。所需要测量的环境信息于测量的范围见表1

表1  系统环境测量的参数与范围

所需测量项目	所需测量范围	测量方式
土壤、空气温度	0-80℃	持续测量
土壤、空气湿度	0-100%	持续测量
二氧化碳浓度	0-2000ppm	持续测量
pH	0-14	需要使用时测量

1.2数据需要实时测量、发送、接收、储存。基于无线传感器网络的农田环境监测系统需要满足最基本的数据测量、发送、接收、储存。使用户可以通过物联网交互平台对监测区域内的农田环境参数进行实时监测，可以真正实现随时观察农田环境参数。

1.3针对节点定位技术，提出了一种较为实用的低成本定位方法，该方法增加了少数的未知节点，并给未知节点配备GPS定位设备，使得未知节点能够自动获得自身位置坐标。从而完成整个系统网络的定位和组网，最终实现了基于ZigBee无线传感器网络技术的农田环境监测系统。

2 无线传感器网络的实现

2.1传感器的硬件结构

传感器节点是随机分布在农田监测区域内的，能对检测对象进行感知、采集以及发送参数信息。每个节点连着四个传感器，分别是土壤空气温度传感器、土壤空气湿度传感器、空气CO2浓度传感器、土壤pH值浓度传感器。无线传感器节点主要具有采集数据和通信功能，其框图如图1所示。

图1 传感器节点图

以JN5139模块为核心，该模块提供了开发无线传感器网络所需要的丰富的外围器件。为了测试传感器是否能正常读数，通过判断传感器电源模块的供电电压，把电源模块芯片的error flag引脚与JN5139相连。JN5139可以通过该引脚的电平高低来判断供电电压是否在正常供电电压范围内。

2.2各个节点的设置

监测节点的设置：监测节点是随机分布在农田环境监测区域内对监测对象具有感知、采集及发送农田环境参数数据的无线传感器节点，监测节点要实现数据的感知、采集、分析和处理功能。

未知节点的设置：主要负责收集该区域中监测节点采集到的数据，而后以单跳的方式把数据传送到数据汇聚节点。在监测节点的基础上，加入GPS定位装置，可以记录未知信息数据，解决了覆盖率不足的问题。

数据汇聚节点的设置：数据汇聚节点由四部分组成：数据上传部分、无线通信部份、处理器部分和电源部分。其主要的责任是协同监测节点和未知节点共同搭建无线传感器网络，收集数据并进行分析，将数据上传到云端网络。

以上节点是ZigBee网络系统的基本成分，它们一般通过自组织方式构建无线传感器网络，一般都被部署在要监测区域内部或附近，用于监测各种参数数据，并把监测到的数据发送到云端网络，以便用户观察。

2.3程序设计

2.3.1传感器的数据读取

JN5139会将土壤和空气湿度传感器输出的数据转换成所需要的测量量。在此采用的是DS18B20数字温度传感器，根据相应的工作原理，通过编程实现。DS18B20的操作流程如图2所示。

图2 DS18B20的操作流程图

2.3.2通信过程

每个ZigBee网络只允许有一个ZigBee的协调器，协调器首先选择一个信道和网络标识。因为协调器是整个网络的开始，它具有网络的高权限，是整个网络的维护者，同时还可以设计安全中心和执行其他任务，保持与其他设备的通信。

设计了区别于传统终端机器显示的方法，引进领先的云端网络技术，将监测节点处理得到的数据信息直接发送至云端网络，使用户可以通过物联网交互平台对监测区域内的农田环境参数进行实时监测，可以真正实现随时观察农田环境参数，最终实现了基于ZigBee无线传感器网络技术的农田环境监测系统。

3 结语

本文结合无线传感器网络技术和农田环境监测这两大研究热点，将ZigBee无线传感器网络技术应用于农田环境监测系统中，使传统的农田环境监测系统存在的问题和不足得到解决。该项目结合了现代农田环境监测技术短距离无线通信技术，使用ZigBee混合型网络组建起适用于农田环境监测的无线传感器网络，该技术整合了传感器节点，能将原本单一多个的传感器节点整合在单一节点上，使单个节点能同时监测温度、湿度等多种环境参数。在ZigBee网络的基础上建立无线传感器网络技术的农田环境监测系统，使用户能够便利、准确的得到农田环境参数的反映。

参考文献：

[1]回楠木,乔小军,王成.ZigBee无线农田采集控制系统的实现方案[J].农机化研究,2008,(2):63-66.

2022年大学生创新创业训练计划省级课题，基于无线传感器网络技术的农田环境监测系统 ：S202212308011