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精确农业无线传感器网络节点部署的研究 　　摘要：无线传感器网络应用到精确农业是现代农业与物联网发展的必然趋势。介绍了在赣南地区的生态园艺企业里引进和部署的1个实验无线传感器网络，并给出了使用4种类型节点（土壤节点、环境节点、水节点和网关节点）来部署网络的拓扑结构，其中一些节点连接分布于田地里的不同传感器。这些传感器可以测量各种土壤特性，例如温度、体积含水量和含盐量。对每个节点，从总体结构、硬件和软件组件方面进行了描述。该系统还包括1个由放置在农场中央室里的计算机所执行的实时监测应用程序。系统的测试分2个阶段完成：第一阶段在实验室，验证开发设备的功能要求、网络解决方案及节点电源管理；第二阶段在农场，评估设备的功能性能。该系统已成功实施到生态大白菜农田里，实施结果表明其是一种通过在园艺环境下的分布式区域收集农艺数据的低成本、高可靠性和简单的基础设施。 　　关键词：无线传感器网络；精确农业；物联网；软件架构；生态园艺 　　中图分类号： TP212.9文献标志码： A 　　文章编号：1002-1302（2017）03-0200-06 　　收稿日期：2015-12-22 　　基金项目：江西省农业科技成果转化项目（编号：JXKJ201304216）；中国井冈山干部学院科技创新成果项目（编号：CX142119）。 　　通信作者简介：张永棠（1981―），男，江西南昌人，硕士，副教授，研究方向为光通信与传感器网络应用。E-mail：gov211@163.com。 　　精?_农业的概念已经出现有一段时间了。Blackmore将它定义为“一个通过精确调整土壤和作物管理以符合每个农田的特定条件同时保持环境质量，来达到优化农业生产的全面系统设计”[1]。如今，精准农业可以说是一种估算、评估和理解发生在农作物中的变化，以便能够确定灌溉和肥料的需求、农作物的生长和成熟阶段、播种和收获的最佳时间等的尽可能准确的方法，换句话说，充分预测各个阶段中的作物产量。为了实现这一目标，重要的是要收集尽可能多关于水、土壤、植物和环境的信息[2]。 　　本研究介绍了在园艺农场里引入无线传感器网络的试验。其他工作最近已证明无线传感器网络成功地应用到精准农业。该农场位于江西省赣南地区，是我国南方重要的园艺区之一。该农场已实行生态农业试验，该试验也被称为生物或有机耕作。 　　该农场是中型（8 000 hm2）的，由250个农田一个接一个地遍布在离赣州市区几公里之外。作为一个规范的研究项目，考虑使用10个节点监测作物，成星型拓扑连接，使用一个网关节点。此外，网关节点使用一个堆栈来存储接收消息，并稍后分配一个任务来处理；支持超过10个以星型拓扑方式连接的节点。然后，这方面工作的最终目的是为农场提供它所必需的基础设施，实时地确定作物的缺水状况，并做出适当的决策。 　　研究实例被设计成2个传感器网络，每个网络监测不同的参数。第一个网络收集土壤的温度、湿度和盐度，而第二个网络记录环境的温度和湿度。此外，1个独立的无线传感器被安放在1个池塘里测量作物供给水的盐度。这些子网和独立的无线传感器通过适当的网关节点发送所有数据到设在中央农场办公室的基站节点，在那里制作关于作物的决策。设计和开发了不同的网络，低成本的特定节点（不带传感器约150美元），以及连接网络和中央办公室的网关。1个后台监控应用程序被开发出来控制所有的设备和记录所收到的信息到1个关系数据库，以用来制作灌溉策略。 　　1试验情况 　　提出农艺问题的解决安排如图1所示。这包括2个传感器网络和1个独立的无线传感器。第一个传感器网络由10个土壤节点组成，每个节点连接2个埋在20 cm或40 cm深的土壤里的Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器[3]。这些传感器可以测量各种土壤特性，如温度、体积含水率、盐度等。第二个网络由10个环境节点组成，使用Sensirion SHT71传感器[3]测量环境温度和湿度。 　　除了这些传感器网络，1个无线传感器，称为水节点，被安放在1个用于灌溉农场的池塘里。无线传感器的目的是来测量基于水电导率的盐度和温度，以便确定用来灌溉作物的水质。该传感器是Stevens EC 250，适用于传感器的远程无线模块，允许与5.5 km以外的基站直接通信[4]。这些节点的硬件和软件实现将在下面详细说明。表1总结了传感器的主要特点。 　　这2个传感器网络分别远离中心电脑5.2、8.7 km。为了保证系统的无线覆盖，网关节点使用和在水节点里同样的技术，使用远距离无线模块。每个传感器网络的节点通过IEEE 802.15.4互连[5]。当消息通过网关到达中心计算机，中心计算机监控应用程序处理和检查其来源及其所包含的信息。消息存储在1个关系数据库，其中保存了传感器收集到的数据和各时期的历