基于单片机构建智慧农业无线传感器网络

吕庆军，钟闻宇，由浩良

（吉林农业科技学院，吉林 吉林132101）

农业是众多产业中的基本大业，人们的生产生活活动都离不开农业的发展。只不过人们对农业生产的印象还停留在传统农业依靠劳动力进行施肥、犁地等劳作。但是，在智慧农业中，依靠技术的智能化操作，实现对农作物生长环境的空气湿度、光照强度、灌溉强度、二氧化碳浓度等信息进行实时的定量精准把关。利用物联网的关键技术——无线传感器网络可以解放劳动力，运用技术手段实现一切农作物生长需要。无线传感网络在农业生产过程中的应用，不仅可以改变粗放的农业管理模式，还可以在很大程度上监测农作物是否有病虫害、重金属等风险存在，如此便可以保证农作物的质量，提高产量。

1 智慧农业的概述

智慧农业是集新兴互联网、云计算、移动通信网络和“物联网”技术于一体的农业生产的高级阶段。对确保农作物可以健康生长的土壤、光照、水分、二氧化碳等元素通过不同的传感节点实现实时监测。对农业生产环境的智能预警、智能分析、智能决策等具有一定的指导作用。确保农业生产达到可视化管理和精准种植的效果。

1.1 智慧农业的定义

智慧农业还有另一种名字，就是智能农业。智慧农业与传统农业相比本质上的不同就在于它利用的是智能化的监测分析系统。将计算机信息技术、云计算、3S技术以及多位专家的在线指导就是智慧农业。智慧农业的目标在于用最低的成本和最低的能源消耗、最大程度上减少农业生产中对生态环境造成的影响，实现农业高质量高产量生产和保护生态环境的同步进行，智慧农业是一种现代化的农业发展形态与模式。通过自动化的生产、结合远程监控、无线采集、自动灌溉、施肥、喷药等农业活动，减轻农业生产者的负担，实现自动化的农业生产。

1.2 智慧农业的特点

随着科技的几步和广泛运用，传统农业的生产模式已经无法满足可持续发展的需要，智慧农业成为目前农业发展的新趋势。智慧农业可以解决农业资源不足、农业产量提高难度大、农业生产环境污染严重等多种问题。这是因为，智慧农业与传统农业相比，有很多的特点和优势。第一，智慧农业利用的高新技术可以在很大程度上避免资源浪费。这是因为信息技术可以支撑其对空间、土壤、水分、光照等因素的计算和探测，并根据实际情况进行统筹分析，确定农作物的种类和数量。第二，智慧农业可以在有限的资源中创造出最大的产值。根据对农作物生长所需要的因素尽心分析检测，智慧农业可以通过对这些因素的改变进行新的种植计划。这个过程也是需要通过无线传感器网路实现的，利用对信息的交换传递及处理，改变可以改变的因素，使农作物的生长所需要的环境达到一定的标准，提高产量，实现资源的最大利用。

1.3 智慧农业的系统架构

智慧农业的系统架构可以分为感知层、传输层和应用层三方面：

感知层的作用正如它的名字一样，是被用来感知外界信息的，换句话说，感知层是利用它本身的识别技术，对农作物生长环境中的各类信息进行识别，它为传输层和应用层提供最原始的数据。感知层通过光照传感器、土壤湿度传感器、风向传感器等一些列的传感器对各类信息进行识别。

传输层是一种传递技术，它主要负责的是对信息处理和传递。传输层是整个无线传感网络的中枢。在这个环节中，无线传感器网络、互联网、云计算以及移动通信网的合作运行。在农业监测区域内根据随机分布的多种类的微型传感器组成的无线传感器网络，在对网络进行全覆盖的同时，采集、计算和处理区域中监测到的对象的动态信息。因为对农业生产的监控面积十分大，想要网络可以覆盖得足够全面，采用无线传感网络是十分实用的。

应用层的工作是在感知层和传输层完成指标之后，再进行内部的运作来完成的。也是在整个系统中的最后一个环节。将前面环节中搜集的和分析出的数据及信息进行分析处理，以便于应用到系统的整个操作流程中。通过采集、存储和管理每个节点中的数据，对农业基地的各种动态信息进行监控。然后根据这些数据信息进行自动化的农业生产活动，并对异常的活动动态进行预警处理。

2 无线传感网络在智慧农特中的应用

2.1 无线传感器节点的构成

无线传感器节点的构成并不复杂，但是每一个节点之间都存在相应的联系。在整个系统的运行中，不同的节点扮演着不同的角色，起到不同的作用。数据处理模块、无线通信模块和传感器之间共同集成了这些不同的节点。其中，在无线传感器的构成上有三大要素，即：被测对象、传感器和观测者。无线传感器节点的构成不仅可以检测环境信息，还具有处理数据和无线通信的功能。

2.2 无线传感器网络的体系结构

总体结构包括传感器节点、汇聚节点、现场数据采集和处理部分以及分散式用户接收设备。在无线传感器网络体系中，存在一个汇聚点，这个汇聚点可以接收到来自不同节点发布和传递过来的信息。同样的额，汇聚点也可以将处理好的信息传递到每一个节点中。检测人员可以利用这样的传递关系进行监控和管理，发布监控任务或通过管理节点收集数据。每个节点的微处理器根据其自己的传感器模块提供的数据定时，执行远程控制信息的实时数据收集、分析和处理、发送和接收。当某个节点携带的传感器检测到某个参数指标超过标准时，该节点会自动发出报警信号。汇聚节点与PC机相连，可以从每个节点接收信息，并可以及时发现和确定发送信息的节点的位置。每个传感器的数据按照预定协议发送给PC机，PC机实时存储和显示数据，并将接收到的实时数据与预设参数进行比较。利用这些具体的数据分析报告可以测试出目前的环境是否达到了预期的标准，并且可以再次基础上制定出相应的整改计划。

2.3 系统整体结构设计

系统的整体结构设计要根据无线传感器网络的布局以及与主机之间的距离来进行设计。每一个环节都是独立的个体，但是彼此之间又存在很多密切的联系。着就是系统整体结构设计的核心。每个节点的传感器与PC机相连接控制终端通信，并将采集到的数据传递过去。终端对收到的信息进行分析处理，并将处理的结果用同样的方式传递到每个节点中。传感器节点主要采集土壤温湿度、降雨量、酸碱度、风速、空气温湿度等信息，并传输到控制中心的单片机，计算启动水泵的供水时间。同时，供水时间信息通过通信传输到控制中心，实现远程数据监控，并通过计算机中的云模型进行处理和响应。传感器节点的驱动程序，是从各种传感器的初始化状态开始，然后进入循环系统，根据各种传感器对数据的采集和处理进行样本的采集，再传递相关的数据，完成数据的接受之后，根据预定的格式提取并处理，最终调整当前的工作状态。

3 结语

智慧农业是时代发展的产物，也是信息科技化时代下农业发展的必经之路。农业生产的创新和转型离不开智慧农业的产生和发展。因此，分析构建智慧农业无线传感器网络对农业未来的发展十分重要。智能化的系统不仅能准确对农作物生长环境进行检测分析，在最大程度实现农作物的高产量、低污染、低消耗，还可以将无线传感器网络与现代智能农业中使用的传感器相结合，用于现代大规模农业的生产管理过程。