精準農業(yè)監控系統設計與應用

案例背景

精準農業(yè)是由信息技術(shù)支持的、根據空間變異定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現代化農事操作技術(shù)與管理的系統。

其基本涵義是根據作物生長(cháng)的土壤性狀，調節對作物的投入，即一方面查清田塊內部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農作物的生產(chǎn)目標，進(jìn)行定位的“系統診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，調動(dòng)土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類(lèi)農業(yè)資源，取得經(jīng)濟效益和環(huán)境效益?？梢岳肎IS來(lái)實(shí)現，最簡(jiǎn)單地來(lái)說(shuō)，GIS是以測繪測量為基礎，以數據庫作為數據儲存和使用的數據源，以計算機編程為平臺的全球空間分析即時(shí)技術(shù)。這是GIS的本質(zhì)，也是核心。物質(zhì)世界中的任何事物都被牢牢地打上了時(shí)空的烙印。人們的生產(chǎn)和生活中百分之八十以上的信息和地理空間位置有關(guān)。地理信息系統（ Geographic Information System, 簡(jiǎn)稱(chēng) GIS）作為獲取、存儲、分析和管理地理空間數據的重要工具、技術(shù)和學(xué)科，近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注和迅猛發(fā)展。由于信息技術(shù)的發(fā)展，數字時(shí)代的來(lái)臨，理論上來(lái)說(shuō)，GIS可以運用于現階段任何行業(yè)?！募夹g(shù)和應用的角度， GIS 是解決空間問(wèn)題的工具、方法和技術(shù)；

精準農業(yè)通過(guò)精心計算出莊稼所需化肥、水分、農藥等的量，就可以極大地節約各種原料的投入，大大降低生產(chǎn)成本， 提高土地的收益率，同時(shí)十分有利于環(huán)境保護。精準農業(yè)技術(shù)的應用非常廣泛，如根據土壤的需要使肥力的狀況得到改善，根據病蟲(chóng)害的情況來(lái)調節農藥噴灑量，根據干旱情況及時(shí)灌溉，自動(dòng)調節拖拉機耕種深度，及時(shí)改善土壤，防止土地板結和肥力下降等。

GIS即地理信息系統（Geographic Information System），經(jīng)過(guò)了40年的發(fā)展，到今天已經(jīng)逐漸成為一門(mén)相當成熟的技術(shù)，并且得到了極廣泛的應用。尤其是近些年，GIS更以其強大的地理信息空間分析功能，在GPS及路徑優(yōu)化中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。GIS地理信息系統是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，運用系統工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據，以提供管理、決策等所需信息的技術(shù)系統。簡(jiǎn)單的說(shuō)，地理信息系統就是綜合處理和分析地理空間數據的一種技術(shù)系統。但是對于集約化、規?；霓r場(chǎng)，以及藥劑制藥集團下屬農場(chǎng)等，精準農業(yè)的發(fā)展應用得到了政府的大力支持，這也體現國家對農業(yè)信息技術(shù)的推動(dòng)和重視。

本文基于近年來(lái)發(fā)展勢頭很迅猛的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)ZigBee，闡述一種易于實(shí)現的精準農業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )應用系統。

2 系統描述

在現代化農業(yè)中，有不少的自動(dòng)化系統，如灌溉施肥自動(dòng)化控制系統、自動(dòng)化噴淋系統、LED燈光補光系統、無(wú)土栽培配合壓力補償滴灌系統等，如果說(shuō)傳感檢測是精準農業(yè)的眼舌耳鼻喉（感受器官），那么通信網(wǎng)絡(luò )無(wú)疑就是精準農業(yè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )了。

說(shuō)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，則不得不提到目前嵌入式應用的一大熱點(diǎn)技術(shù)——ZigBee。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，主要適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設備中，同時(shí)支持地理定位功能。相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù)。

ZigBee應用在精準農業(yè)中，構建分布式網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢如下：

（1）相比于數傳電臺技術(shù)（大功率315 MHz/433 MHz模塊），ZigBee技術(shù)具有功率小、耗電低的特點(diǎn)，電池供電便于安裝維護；

（2）網(wǎng)絡(luò )特性，ZigBee有一套健全的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，能夠方便地實(shí)現自組網(wǎng)、自動(dòng)路由、冗余網(wǎng)絡(luò )故障自恢復；

（3）2.4 GHz低功率高頻信號，輻射小，效率高。相比于其他通信手段，ZigBee的發(fā)送功率通常只有幾毫瓦，通過(guò)器件自身非常高的接收靈敏度（通常是-90 dB～-105 dB），不能超過(guò)100 mW（CDMA的最大發(fā)射功率是200 mW；GSM最大發(fā)射功率是2 W），此技術(shù)產(chǎn)生的電磁波輻射不會(huì )對農產(chǎn)品及工作人員產(chǎn)生不良影響。

（4）分布式網(wǎng)絡(luò )對于大面積多采樣點(diǎn)監控十分必要，只有全面掌握各個(gè)點(diǎn)的信息，才能完整地使用地理信息系統（GIS），形成完備的數據信息庫，才能幫助農場(chǎng)技術(shù)人員全面地了解地理信息，同時(shí)，也能實(shí)現精準農業(yè)概念中的精準控制性。

3 技術(shù)實(shí)現

要實(shí)現農場(chǎng)傳感檢測及控制網(wǎng)絡(luò )，需要具備以下組件：傳感器、動(dòng)作器、微處理器以及無(wú)線(xiàn)傳輸模塊（ZigBee模塊）。典型的傳感器包括溫度傳感器（DS18B20芯片只有小紐扣大?。?、水位傳感器、壓力傳感器等；動(dòng)作器包括繼電器、電機和燈光控制器等，原來(lái)的灌溉施肥自動(dòng)化控制系統、自動(dòng)化噴淋系統、LED燈光補光系統中都有類(lèi)似的執行特定動(dòng)作的器件。該產(chǎn)品采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領(lǐng)域。

目前市面上簡(jiǎn)便易用的ZigBee模塊本身就具備了微處理器MCU可以處理和控制底層的傳感器和動(dòng)作器，這種類(lèi)型的模塊（芯片）更加集中地體現出ZigBee技術(shù)“傳感網(wǎng)絡(luò )”的特性。

為降低成本，還可以使用如圖2所示的結構，就近通過(guò)有線(xiàn)方式引出多個(gè)傳感器，采集多點(diǎn)的信息，并控制多個(gè)動(dòng)作器。獨特的單線(xiàn)接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線(xiàn)即可實(shí)現微處理器與DS18B20的雙向通訊。 　　1.2 測溫范圍 －55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃。支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線(xiàn)上，最多只能并聯(lián)8個(gè)，如果數量過(guò)多，會(huì )使供電電源電壓過(guò)低，從而造成信號傳輸的不穩定，實(shí)現多點(diǎn)測溫。工作電源： 3~5V/DC。在使用中不需要任何外圍元件。測量結果以9~12位數字量方式串行傳送。不銹鋼保護管直徑 Φ6 。適用于DN15~25, DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設備測溫。標準安裝螺紋 M10X1, M12X1.5, G1/2”任選。PVC電纜直接出線(xiàn)或德式球型接線(xiàn)盒出線(xiàn)，便于與其它電器設備連接。

系統中使用的ZigBee模塊為ZICM2410模塊，配備9 dB增益的天線(xiàn)，單點(diǎn)覆蓋面積達到空曠半徑500 m，應用中需要注意的問(wèn)題包括：

（1）2.4 GHz的射頻信號波長(cháng)短，容易被物體遮擋，因此需要將天線(xiàn)拉高，最好高過(guò)農作物的水平面，因此安裝時(shí)應當注意。

（2）電池供電，按照1 min采集一次數據的頻率，ZigBee模塊可以工作半年到兩年之久，但是要注意電池本身的質(zhì)量和環(huán)境適應性，如在暴曬雨淋或者濕度大的情況下，對于溫濕度變化并不敏感（ZICM2410本身可工作在-40 ℃~+85 ℃，自然環(huán)境的溫度變化并不會(huì )比實(shí)驗室模擬的溫度劇變強烈）。

（3）天線(xiàn)的安裝，如果使用全向天線(xiàn)，要注意水平方向的對齊，這樣能最大地利用射頻能量，保障傳感器數據的可靠傳輸，關(guān)于天線(xiàn)的相關(guān)知識，參看文章《ZigBee物理層分析》（致遠電子《嵌入式對話(huà)》）。

4 核心器件

ZICM2410是美國CEL公司根據自主研發(fā)的ZigBee ready模塊（如圖4所示），為2.4 GHz IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供一個(gè)高性能低成本的組網(wǎng)方案。ZIC2410芯片是一款真正意義上的ZigBee片上系統：集成了ZigBee無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和一個(gè)單指令內嵌Flash空間的51CPU核，同時(shí)還有GPIO、UART、音頻解碼器（IIS接口，PCM/μ-a-law/ADPCM格式），ZigBee數據收發(fā)的速率可以達到1 Mb/s。

ZICM2410主要性能參數如下：

（1）功率

103 dB鏈路預算；接收靈敏度-97 dB@1.5 V；發(fā)送功率+6 dBm@1.5 V；3 000英尺無(wú)障礙傳輸距離；最低睡眠電流1 μA；工作電壓2.1 V~3.3 V；接收電流35 mA；發(fā)送電流44 mA。

（2）對內接口類(lèi)型

CPU：?jiǎn)沃噶?1內核CPU；96 KB Flash，8 KB RAM；GPIO個(gè)數：22；接口類(lèi)型：SPI（主從）；UART（2路）、I2S/PCM；4路8位ADC。

（3）溫度范圍

工作溫度：-40 ℃~+85 ℃；保存溫度：-55 ℃~+125 ℃。

（4）速率

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

5 結束語(yǔ)

國內在規?；r業(yè)場(chǎng)合對ZigBee技術(shù)的應用還是極其稀少，但是在國外，這樣的應用已比較普遍。一方面因為無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)在美國及歐美國家起源并推廣的時(shí)間比較早，另一方面也因為農業(yè)國情的不同。但是從大的趨勢上看，先進(jìn)的、產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)總是會(huì )得到政府和相關(guān)單位的支持。本文描述的方案具有技術(shù)先進(jìn)性、易用性，非常適合智能化精準農業(yè)的應用場(chǎng)合。