精准农业监控系统设计与应用

　　1 背景

　　精准农业是由信息技术支持的、根据空间变异定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。

　　其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以少的或节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。可以利用GIS来实现，简单地来说，GIS是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的空间分析即时技术。这是GIS的本质，也是。物质世界中的任何事物都被牢牢地打上了时空的烙印。人们的生产和生活中百分之八十以上的信息和地理空间位置有关。地理信息系统（ Geographic Information System, 简称 GIS）作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和迅猛发展。由于信息技术的发展，数字时代的来临，理论上来说，GIS可以运用于现阶段任何行业。　从技术和应用的角度， GIS 是解决空间问题的工具、方法和技术；

　　精准农业通过精心计算出庄稼所需化肥、水分、农药等的量，就可以极大地节约各种原料的投入，大大降低生产成本， 提高土地的收益率，同时十分有利于环境保护。精准农业技术的应用非常广泛，如根据土壤的需要使肥力的状况得到改善，根据病虫害的情况来调节农药喷洒量，根据干旱情况及时灌溉，自动调节拖拉机耕种深度，及时改善土壤，防止土地板结和肥力下降等。

　　GIS即地理信息系统（Geographic Information System），经过了40年的发展，到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术，并且得到了极广泛的应用。尤其是近些年，GIS更以其强大的地理信息空间分析功能，在GPS及路径优化中发挥着越来越重要的作用。GIS地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。但是对于集约化、规模化的农场，以及药剂制药集团下属农场等，精准农业的发展应用得到了政府的大力支持，这也体现国家对农业信息技术的推动和重视。

　　本文基于近年来发展势头很迅猛的无线传感网络技术ZigBee，阐述一种易于实现的精准农业无线传感网络应用系统。

　　2 系统描述

　　在现代化农业中，有不少的自动化系统，如灌溉施肥自动化控制系统、自动化喷淋系统、LED灯光补光系统、无土栽培配合压力补偿滴灌系统等，如果说传感检测是精准农业的眼舌耳鼻喉（感受器官），那么通信网络无疑就是精准农业的神经网络了。

　　说到神经网络，则不得不提到目前嵌入式应用的一大热点技术——ZigBee。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术和无线网络技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是功耗和成本的技术。

　　ZigBee应用在精准农业中，构建分布式网络的优势如下：

　　（1）相比于数传电台技术（大功率315 MHz/433 MHz模块），ZigBee技术具有功率小、耗电低的特点，电池供电便于安装维护；

　　（2）网络特性，ZigBee有一套健全的网络协议栈，能够方便地实现自组网、自动路由、冗余网络故障自恢复；

　　（3）2.4 GHz低功率高频信号，辐射小，效率高。相比于其他通信手段，ZigBee的发送功率通常只有几毫瓦，通过器件自身非常高的接收灵敏度（通常是-90 dB～-105 dB），不能超过100 mW（CDMA的发射功率是200 mW；GSM发射功率是2 W），此技术产生的电磁波辐射不会对农产品及工作人员产生不良影响。

　　（4）分布式网络对于大面积多采样点监控十分必要，只有全面掌握各个点的信息，才能完整地使用地理信息系统（GIS），形成完备的数据信息库，才能帮助农场技术人员全面地了解地理信息，同时，也能实现精准农业概念中的精准控制性。

　　3 技术实现

　　要实现农场传感检测及控制网络，需要具备以下组件：传感器、动作器、微处理器以及无线传输模块（ZigBee模块）。典型的传感器包括温度传感器（DS18B20芯片只有小纽扣大小）、水位传感器、压力传感器等；动作器包括继电器、电机和灯光控制器等，原来的灌溉施肥自动化控制系统、自动化喷淋系统、LED灯光补光系统中都有类似的执行特定动作的器件。该产品采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

　　目前市面上简便易用的ZigBee模块本身就具备了微处理器MCU可以处理和控制底层的传感器和动作器，这种类型的模块（芯片）更加集中地体现出ZigBee技术“传感网络”的特性。

　　图1中的结构适合单点控制，天线及传感器动作器都在同一个物理地点，这样做的好处在于便于安装管理，缺点是成本较高。

　　为降低成本，还可以使用如图2所示的结构，就近通过有线方式引出多个传感器，采集多点的信息，并控制多个动作器。独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 　　1.2 测温范围 －55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在的三线上，多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。工作电源： 3~5V/DC。在使用中不需要任何外围元件。测量结果以9~12位数字量方式串行传送。不锈钢保护管直径 Φ6 。适用于DN15~25, DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选。PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。

　　这些节点在农场分布之后，形成一个ZigBee无线传感网络，如图3所示。这是一个分布式数据采集及分布式控制系统，每个节点不仅具备简单实用的环境感知能力，简单逻辑进行控制，同时还因为具备无线网络功能，可以将数据传到农场控制中心，在那里，的农业技术人员根据知识，对整体或局部进行“诊断”及“医治”，通过此无线网络进行命令控制，如在特定天气动态地调整灌溉时间和灌溉水量，根据植物生长特点进行灯光控制（大棚系统）。

　　系统中使用的ZigBee模块为ZICM2410模块，配备9 dB增益的天线，单点覆盖面积达到空旷半径500 m，应用中需要注意的问题包括：

　　（1）2.4 GHz的射频信号波长短，容易被物体遮挡，因此需要将天线拉高，高过农作物的水平面，因此安装时应当注意。

　　（2）电池供电，按照1 min采集数据的频率，ZigBee模块可以工作半年到两年之久，但是要注意电池本身的质量和环境适应性，如在暴晒雨淋或者湿度大的情况下，对于温湿度变化并不敏感（ZICM2410本身可工作在-40 ℃~+85 ℃，自然环境的温度变化并不会比实验室模拟的温度剧变强烈）。

　　（3）天线的安装，如果使用全向天线，要注意水平方向的对齐，这样能地利用射频能量，保障传感器数据的可靠传输，关于天线的相关知识，参看文章《ZigBee物理层分析》（致远电子《嵌入式对话》）。

　　4 器件

　　ZICM2410是美国CEL公司根据自主研发的ZigBee ready模块（如图4所示），为2.4 GHz IEEE 802.15.4无线网络提供一个高性能低成本的组网方案。ZIC2410芯片是一款真正意义上的ZigBee片上系统：集成了ZigBee无线收发器和一个单指令内嵌Flash空间的51CPU核，同时还有GPIO、UART、音频解码器（IIS接口，PCM/μ-a-law/ADPCM格式），ZigBee数据收发的速率可以达到1 Mb/s。

　　ZICM2410主要性能参数如下：

　　（1）功率

　　103 dB链路预算；接收灵敏度-97 dB@1.5 V；发送功率+6 dBm@1.5 V；3 000英尺无障碍传输距离；睡眠电流<1 μA；工作电压2.1 V~3.3 V；接收电流35 mA；发送电流44 mA。

　　（2）对内接口类型

　　CPU：单指令51内核CPU；96 KB Flash，8 KB RAM；GPIO个数：22；接口类型：SPI（主从）；UART（2路）、I2S/PCM；4路8位ADC。

　　（3）温度范围

　　工作温度：-40 ℃~+85 ℃；保存温度：-55 ℃~+125 ℃。

　　（4）速率

　　ZigBee（250 kb/s）；Turbo（500 kb/s）；Premium（1 Mb/s）。

　　5 结束语

　　国内在规模化农业场合对ZigBee技术的应用还是极其稀少，但是在国外，这样的应用已比较普遍。一方面因为无线传感技术在美国及欧美国家起源并推广的时间比较早，另一方面也因为农业国情的不同。但是从大的趋势上看，先进的、产业化的技术总是会得到政府和相关单位的支持。本文描述的方案具有技术先进性、易用性，非常适合智能化精准农业的应用场合。