精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展促使精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究受到越來(lái)越高的重視，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)的較大提高。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中要求將環(huán)境的適宜程度作為作物健康成長(zhǎng)的有效標(biāo)準(zhǔn)。影響作物生長(zhǎng)的因素主要為溫濕度及土壤的濕度等，快速準(zhǔn)確地獲取農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息，了解作物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)環(huán)境很重要。針對(duì)傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)所存在的采樣率低、工作效率低以及布線不便等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)農(nóng)業(yè)中植物生長(zhǎng)所需的良好環(huán)境信息的采集傳輸及上位機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等進(jìn)行了十分詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)為植物生長(zhǎng)環(huán)境的研究提供有力分析數(shù)據(jù)。ZigBee技術(shù)能夠被大眾接受與使用是因?yàn)槠鋼碛歇?dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如其能量損耗小、能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組、設(shè)備布置靈活以及穩(wěn)定性能好等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)環(huán)境信息采集、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境數(shù)據(jù)通訊與處理，被廣泛用于醫(yī)療、室內(nèi)建筑、軍用民用及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)植物生長(zhǎng)環(huán)境方面。隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的持續(xù)關(guān)注及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)地迅速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，成為采集農(nóng)業(yè)環(huán)境信息，不斷提高管理水平及增加作物產(chǎn)量必要手段。

　　關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；節(jié)點(diǎn)定位；溫濕度：數(shù)據(jù)采集

　　1引言

　　1．1研究背景和意義

　　眾所周知，我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，土地資源總量大人均占有量卻極少，以世界7％的土地滿足眾多人口的糧食需求。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在發(fā)展過(guò)程中主要依靠農(nóng)藥化肥的大量施用提高作物產(chǎn)量，由于過(guò)度地投入導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降。面對(duì)農(nóng)產(chǎn)品國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的事態(tài)，改變傳統(tǒng)的管理方式，減少資源損耗，充分利用土地這種不可再生的資源，如何在有限的資源基礎(chǔ)上增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高生產(chǎn)效率、結(jié)合環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙重效益是我國(guó)亟待解決的重要問(wèn)題【l。2J。融合了農(nóng)業(yè)技術(shù)及信息技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)今成為重要研究方向，應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)農(nóng)田信息管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)信息自動(dòng)化智能化研究的熱點(diǎn)。

　　1．2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　1．2．1國(guó)外研究現(xiàn)狀精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在20世紀(jì)80年代初期由美國(guó)人首先提出。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在生產(chǎn)生活中應(yīng)用現(xiàn)代信息監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，是現(xiàn)代科技發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志。在20世紀(jì)90年代初，美國(guó)召開了史上第一次關(guān)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的科研討論會(huì)，從此以后，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)成為了世界上最富有研究?jī)r(jià)值的前沿課題之一。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)成為了新世紀(jì)全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的旗幟與方向，面向二十一世紀(jì)的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命正在悄無(wú)聲息地進(jìn)行[9-10]。

　　1．2．2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著美國(guó)提出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念，我國(guó)科研人員對(duì)其高度重視，并開始進(jìn)行相關(guān)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的試驗(yàn)。主要針對(duì)植物生長(zhǎng)所需要的優(yōu)良環(huán)境、精準(zhǔn)施肥和播種以及植物生長(zhǎng)所需要的水分及二氧化碳等相關(guān)方面。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)主要是摒棄傳統(tǒng)的人工測(cè)量監(jiān)控并針對(duì)植物生長(zhǎng)的農(nóng)田進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)采集精確節(jié)點(diǎn)定位及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸，同時(shí)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差數(shù)據(jù)的剔除，在數(shù)據(jù)可視化方面做到實(shí)時(shí)監(jiān)控117’191。

　　2WSN技術(shù)及應(yīng)用

　　2．1WSN組成結(jié)構(gòu)及體系

　　WSN(WirelessSensorNetworks)是由多個(gè)無(wú)線傳感模塊組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各模塊部署方便快捷，價(jià)格經(jīng)濟(jì)廉價(jià)，體積小，便于隨實(shí)際情況進(jìn)行移動(dòng)，以協(xié)調(diào)配合的方式采集網(wǎng)絡(luò)涉及區(qū)域中物體的信息，并將得到的信息經(jīng)過(guò)處理后發(fā)給檢測(cè)者，操作方便市場(chǎng)前景廣闊。在無(wú)線傳感模塊組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)是被無(wú)規(guī)則隨意放置的，我們可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)生活的需要進(jìn)行相關(guān)對(duì)象的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算處理。由于各個(gè)模塊之間是相互聯(lián)系的，因此可以形成互聯(lián)的系統(tǒng)。

　　2．2重要的無(wú)線通信技術(shù)

　　隨著各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，許多通信協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生，由于其價(jià)格低廉、消耗小、通訊方便等優(yōu)點(diǎn)，短距離無(wú)線通信技術(shù)得以快速發(fā)展，并在各行各業(yè)發(fā)揮著巨大作用。目前，Wi．Fi、藍(lán)牙以及ZigBee技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛的短距離無(wú)線通訊技術(shù)【31。331。針對(duì)各個(gè)技術(shù)的不同特點(diǎn)在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。

　　(1)Wi．Fi無(wú)線通信技術(shù)Wi-Fi技術(shù)是一種短距離無(wú)線通信聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，隨著科技的發(fā)展該技術(shù)在生活中應(yīng)用最為廣泛，為人們的生活帶來(lái)巨大的便利同時(shí)促進(jìn)了人與人之間的網(wǎng)絡(luò)互連，主要的應(yīng)用包括智能手機(jī)、平板電腦、無(wú)線路由等。其工作頻率為2．4GHz，最高傳輸速率可達(dá)11Mb／s，最遠(yuǎn)的通訊距離隨著技術(shù)的發(fā)展達(dá)到了100m，并且在傳輸?shù)母采w范圍方面也取得了突破性的進(jìn)展。Wi．Fi的數(shù)據(jù)傳輸速度快，同時(shí)具有很強(qiáng)的兼容性，可以方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。但是，Wi-Fi的缺點(diǎn)也阻礙了其在工業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，由于Wi．Fi功耗大、成本高并且技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，目前多數(shù)用于個(gè)人局域網(wǎng)中。

　　(2)藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)藍(lán)牙是在1998年被提出的一種能夠短距離通訊的低成本大容量的通信規(guī)范，工作頻率同樣為2．4GHz。藍(lán)牙的主要應(yīng)用是在較小范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)備的連接，通信距離較短只能是在10m的范圍內(nèi)。在日常生活中，我們應(yīng)用藍(lán)牙進(jìn)行移動(dòng)終端之間的通信，進(jìn)行文件的輕松傳輸，在數(shù)據(jù)共享方面變得更加容易和便捷。藍(lán)牙技術(shù)是全世界公開使用，兼容性好是其最重要的特點(diǎn)之一。藍(lán)牙技術(shù)不僅僅運(yùn)用于電腦，還應(yīng)用于手機(jī)及家電等眾多種類的電子設(shè)備產(chǎn)品，盡管藍(lán)牙存在以上的自身及應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)，但是藍(lán)牙的缺陷也較為突出，通信距離過(guò)短、成本較為昂貴并且網(wǎng)絡(luò)覆蓋率低，不適用于大面積無(wú)線監(jiān)測(cè)。由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速的發(fā)展，藍(lán)牙技術(shù)并未長(zhǎng)期大規(guī)模應(yīng)用就被新的無(wú)線傳感技術(shù)所代替。

　　3精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)研究

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量傳感器節(jié)點(diǎn)以自組網(wǎng)形式構(gòu)成，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)信息收集、數(shù)據(jù)通訊和處理，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍民及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)地不斷被重視以及迅猛的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用成為農(nóng)田環(huán)境信息采集、提高管理水平、增加作物產(chǎn)量的必要手段【4ll。在應(yīng)用農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量感知的過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)定位是重要環(huán)節(jié)，大量節(jié)點(diǎn)必須確定位置信息才能進(jìn)行有效的環(huán)境信息監(jiān)測(cè)[42l。因此，必須要采取一定的方法來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)中各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置，進(jìn)而得到實(shí)際地理環(huán)境信息?？紤]到節(jié)點(diǎn)自身能量受到制約、全部配置GPS(GlobalPositioningSystem全球定位系統(tǒng))成本昂貴及部署環(huán)境受限等實(shí)際因素，本文只對(duì)少數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)裝載GPS進(jìn)行定位準(zhǔn)確坐標(biāo)，并利用數(shù)學(xué)智能算法計(jì)算其他未知節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確的坐標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息的準(zhǔn)確判斷，同時(shí)降低成本。節(jié)點(diǎn)測(cè)量定位方法分為測(cè)距定位和非測(cè)距定位兩類【431，非測(cè)距類定位依靠網(wǎng)絡(luò)連通性進(jìn)行定位，常用質(zhì)心定位算法、DV-hop算法和近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法等【44一鄂。優(yōu)點(diǎn)是受環(huán)境影響小，不需要添加額外的硬件，經(jīng)濟(jì)性很好，測(cè)量方便。但其缺點(diǎn)是測(cè)量精度不高，誤差大，所需要大量的錨節(jié)點(diǎn)【46。481。測(cè)距類定位需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離或者角度定位。與非測(cè)距類方法比較，計(jì)算量和通信量較大，但精度高，測(cè)量準(zhǔn)確。

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《精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》

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