精準農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用

案例背景

精準農(nóng)業(yè)是由信息技術支持的、根據(jù)空間變異定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術與管理的系統(tǒng)。

其基本涵義是根據(jù)作物生長的土壤性狀，調(diào)節(jié)對作物的投入，即一方面查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標，進行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術組裝、科學管理”，調(diào)動土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節(jié)省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟效益和環(huán)境效益?？梢岳?strong>GIS來實現(xiàn)，最簡單地來說，GIS是以測繪測量為基礎，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)儲存和使用的數(shù)據(jù)源，以計算機編程為平臺的全球空間分析即時技術。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。地理信息系統(tǒng)（ Geographic Information System, 簡稱 GIS）作為獲取、存儲、分析和管理地理空間數(shù)據(jù)的重要工具、技術和學科，近年來得到了廣泛關注和迅猛發(fā)展。由于信息技術的發(fā)展，數(shù)字時代的來臨，理論上來說，GIS可以運用于現(xiàn)階段任何行業(yè)?！募夹g和應用的角度， GIS 是解決空間問題的工具、方法和技術；

精準農(nóng)業(yè)通過精心計算出莊稼所需化肥、水分、農(nóng)藥等的量，就可以極大地節(jié)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，同時十分有利于環(huán)境保護。精準農(nóng)業(yè)技術的應用非常廣泛，如根據(jù)土壤的需要使肥力的狀況得到改善，根據(jù)病蟲害的情況來調(diào)節(jié)農(nóng)藥噴灑量，根據(jù)干旱情況及時灌溉，自動調(diào)節(jié)拖拉機耕種深度，及時改善土壤，防止土地板結和肥力下降等。

GIS即地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System），經(jīng)過了40年的發(fā)展，到今天已經(jīng)逐漸成為一門相當成熟的技術，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)揮著越來越重要的作用。GIS地理信息系統(tǒng)是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，運用系統(tǒng)工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策等所需信息的技術系統(tǒng)。簡單的說，地理信息系統(tǒng)就是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術系統(tǒng)。但是對于集約化、規(guī)?；霓r(nóng)場，以及藥劑制藥集團下屬農(nóng)場等，精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展應用得到了政府的大力支持，這也體現(xiàn)國家對農(nóng)業(yè)信息技術的推動和重視。

本文基于近年來發(fā)展勢頭很迅猛的無線傳感網(wǎng)絡技術ZigBee，闡述一種易于實現(xiàn)的精準農(nóng)業(yè)無線傳感網(wǎng)絡應用系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)描述

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中，有不少的自動化系統(tǒng)，如灌溉施肥自動化控制系統(tǒng)、自動化噴淋系統(tǒng)、LED燈光補光系統(tǒng)、無土栽培配合壓力補償?shù)喂嘞到y(tǒng)等，如果說傳感檢測是精準農(nóng)業(yè)的眼舌耳鼻喉（感受器官），那么通信網(wǎng)絡無疑就是精準農(nóng)業(yè)的神經(jīng)網(wǎng)絡了。

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

ZigBee應用在精準農(nóng)業(yè)中，構建分布式網(wǎng)絡的優(yōu)勢如下：

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

（2）網(wǎng)絡特性，ZigBee有一套健全的網(wǎng)絡協(xié)議棧，能夠方便地實現(xiàn)自組網(wǎng)、自動路由、冗余網(wǎng)絡故障自恢復；

（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，通過器件自身非常高的接收靈敏度（通常是-90 dB～-105 dB），不能超過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），此技術產(chǎn)生的電磁波輻射不會對農(nóng)產(chǎn)品及工作人員產(chǎn)生不良影響。

（4）分布式網(wǎng)絡對于大面積多采樣點監(jiān)控十分必要，只有全面掌握各個點的信息，才能完整地使用地理信息系統(tǒng)（GIS），形成完備的數(shù)據(jù)信息庫，才能幫助農(nóng)場技術人員全面地了解地理信息，同時，也能實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)概念中的精準控制性。

3 技術實現(xiàn)

要實現(xiàn)農(nóng)場傳感檢測及控制網(wǎng)絡，需要具備以下組件：傳感器、動作器、微處理器以及無線傳輸模塊（ZigBee模塊）。典型的傳感器包括溫度傳感器（DS18B20芯片只有小紐扣大小）、水位傳感器、壓力傳感器等；動作器包括繼電器、電機和燈光控制器等，原來的灌溉施肥自動化控制系統(tǒng)、自動化噴淋系統(tǒng)、LED燈光補光系統(tǒng)中都有類似的執(zhí)行特定動作的器件。該產(chǎn)品采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)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(shù)字測溫和控制領域。

目前市面上簡便易用的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作器，這種類型的模塊（芯片）更加集中地體現(xiàn)出ZigBee技術“傳感網(wǎng)絡”的特性。

為降低成本，還可以使用如圖2所示的結構，就近通過有線方式引出多個傳感器，采集多點的信息，并控制多個動作器。獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)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℃。支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實現(xiàn)多點測溫。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(shù)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電纜直接出線或德式球型接線盒出線，便于與其它電器設備連接。

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

（1）2.4 GHz的射頻信號波長短，容易被物體遮擋，因此需要將天線拉高，最好高過農(nóng)作物的水平面，因此安裝時應當注意。

（2）電池供電，按照1 min采集一次數(shù)據(jù)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比實驗室模擬的溫度劇變強烈）。

（3）天線的安裝，如果使用全向天線，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(shù)據(jù)的可靠傳輸，關于天線的相關知識，參看文章《ZigBee物理層分析》（致遠電子《嵌入式對話》）。

4 核心器件

ZICM2410是美國CEL公司根據(jù)自主研發(fā)的ZigBee ready模塊（如圖4所示），為2.4 GHz IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡提供一個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(tǒng)：集成了ZigBee無線收發(fā)器和一個單指令內(nèi)嵌Flash空間的51CPU核，同時還有GPIO、UART、音頻解碼器（IIS接口，PCM/μ-a-law/ADPCM格式），ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)的速率可以達到1 Mb/s。

ZICM2410主要性能參數(shù)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(nèi)接口類型

CPU：單指令51內(nèi)核CPU；96 KB Flash，8 KB RAM；GPIO個數(shù)：22；接口類型：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

國內(nèi)在規(guī)模化農(nóng)業(yè)場合對ZigBee技術的應用還是極其稀少，但是在國外，這樣的應用已比較普遍。一方面因為無線傳感技術在美國及歐美國家起源并推廣的時間比較早，另一方面也因為農(nóng)業(yè)國情的不同。但是從大的趨勢上看，先進的、產(chǎn)業(yè)化的技術總是會得到政府和相關單位的支持。本文描述的方案具有技術先進性、易用性，非常適合智能化精準農(nóng)業(yè)的應用場合。