英文文章翻譯無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在西班牙南部精確農(nóng)業(yè)上的.doc

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在西班牙南部精確農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用J.A. Lpez Riquelmea, F. Sotoa, J. Suardaza, P. Sncheza, A. Iborraa, J.A. Veraba Universidad Politcnica de Cartagena, Divisin de Sistemas e Ingeniera Electrnica, Campus Muralla del Mar, s/n, Cartagena E-30202, Spainb Edosoft Factory S.L., Mara Manrique 3, Las Palmas de Gran Canaria E-35011, Spain摘要近年來(lái)，許多應(yīng)用已經(jīng)涉及到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中之一是精確農(nóng)業(yè)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在管理灌溉水資源、掌握農(nóng)作物的最佳收獲時(shí)間、估計(jì)肥料的需求和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)農(nóng)作物的性能等方面發(fā)揮著重要的作用。本文介紹了在半干旱的穆?tīng)栁鱽唴^(qū)的生態(tài)園藝企業(yè)里引進(jìn)和部署一個(gè)實(shí)驗(yàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。并給出了使用四種類(lèi)型節(jié)點(diǎn)（土壤節(jié)點(diǎn)，環(huán)境節(jié)點(diǎn)，水節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）來(lái)部署網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中一些節(jié)點(diǎn)連接分布在田地里的不同傳感器。這些傳感器可以測(cè)量各種土壤特性，例如溫度、體積含水量和含鹽量。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)，從總體結(jié)構(gòu)、硬件和軟件組件方面進(jìn)行了描述。該系統(tǒng)還包括一個(gè)由放置在農(nóng)場(chǎng)中央室里的計(jì)算機(jī)所執(zhí)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序。系統(tǒng)的測(cè)試分兩個(gè)階段完成：第一階段在實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證開(kāi)發(fā)設(shè)備的功能要求、網(wǎng)絡(luò)解決方案及節(jié)點(diǎn)電源管理；第二階段在農(nóng)場(chǎng)，評(píng)估設(shè)備的功能性能，如范圍，魯棒性和靈活性。該系統(tǒng)已成功實(shí)施到生態(tài)大白菜（甘藍(lán)）農(nóng)田里。其結(jié)果是一種通過(guò)在園藝環(huán)境下的分布式區(qū)域收集農(nóng)藝數(shù)據(jù)的低成本、高可靠性和簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)設(shè)施。關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 精確農(nóng)業(yè) 園藝1 導(dǎo)言精確農(nóng)業(yè)的概念已經(jīng)出現(xiàn)有一段時(shí)間了。Blackmore (1994) 將它定義為“一個(gè)通過(guò)精確調(diào)整土壤和作物管理以符合每個(gè)農(nóng)田的特定條件同時(shí)保持環(huán)境質(zhì)量，來(lái)達(dá)到優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。如今，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以說(shuō)是（張等人, 2002）一種估算、評(píng)估和理解發(fā)生在農(nóng)作物中的變化，以便能夠確定灌溉和肥料的需求、農(nóng)作物的生長(zhǎng)和成熟階段、播種和收獲的最佳時(shí)間等，盡可能準(zhǔn)確的方法，換句話(huà)說(shuō)，充分預(yù)測(cè)各個(gè)階段中的作物產(chǎn)量。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，重要的是要收集盡可能多關(guān)于水、土壤、植物和環(huán)境的信息。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)利用大量的技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施：數(shù)據(jù)儀器和收集系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、微電子學(xué)、無(wú)線(xiàn)技術(shù)等等（Chiti et al., 2005; 唐等, 2002）。許多無(wú)線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)用于不同用途來(lái)實(shí)現(xiàn)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的無(wú)線(xiàn)傳感器（Wang et al., 2006; Camilli et al., 2007; Vellidis et al., 2008; Siuli Roy and Bandyopadhyays, 2008; Pierce and Elliot, 2008）從簡(jiǎn)單的紅外線(xiàn)裝置（IrDAs）的超短程距離到移動(dòng)電話(huà)的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，如支持GSM / GPRS。在這兩者之間有WPANs（無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）的短程距離，如藍(lán)牙（10米）和ZigBee（70米）和WLAN（無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)）的中間距離（100米）。Camilli et al. (2007) 描述了一個(gè)能夠提供田地參數(shù)給終端用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模擬應(yīng)用程序。Pierce and Elliot (2008) 描述了為地區(qū)和農(nóng)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)及其實(shí)施在美國(guó)華盛頓州的兩個(gè)農(nóng)業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)硬件和軟件組件。WSNs（無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)）屬于WPANs范疇(Akyildiz et al., 2002)，是一種由幾十、數(shù)百或數(shù)千個(gè)低速率智能裝置或節(jié)點(diǎn)組成的自組織Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，一般用電池供電。這些網(wǎng)絡(luò)的一些特性特別適用于精確農(nóng)業(yè)： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳恍枰潭?；?jié)點(diǎn)可任意部署和適應(yīng)不斷變化的需求。例如，傳感器節(jié)點(diǎn)可以放在農(nóng)田的任何地方、任何安排。傳感器節(jié)點(diǎn)可以直接刪除或添加，而不必重新配置所有其他節(jié)點(diǎn)。 比其他類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)更容錯(cuò)，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)失敗時(shí)，會(huì)自動(dòng)路由其他節(jié)點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償，這歸功于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的內(nèi)在可能性。例如，如果一個(gè)作物正處于成長(zhǎng)階段，物理訪(fǎng)問(wèn)節(jié)點(diǎn)是復(fù)雜的，取代它不是絕對(duì)必要的。 節(jié)點(diǎn)能源消耗以這樣一種方式優(yōu)化，可以完全采用由電池或可再生能源系統(tǒng)（太陽(yáng)能、風(fēng)能或液壓）供電(Morais et al., 2008)。這樣，供應(yīng)能量應(yīng)能確保節(jié)點(diǎn)的整個(gè)生命周期至少有一個(gè)農(nóng)業(yè)周期。 用于精確農(nóng)業(yè)的傳感器通常必須穩(wěn)健、準(zhǔn)確、高分辨率，因此比較昂貴（每個(gè)傳感器300美元以上），但目前的趨勢(shì)是將傳感器嵌入節(jié)點(diǎn)，可大大降低其成本。節(jié)點(diǎn)通常包含處理器、無(wú)線(xiàn)通信模塊、電源和一個(gè)或多個(gè)安裝在節(jié)點(diǎn)本身或連接到它的傳感器。處理器控制節(jié)點(diǎn)的所有功能（傳感器訪(fǎng)問(wèn)、通信控制、狀態(tài)引擎執(zhí)行等）。無(wú)線(xiàn)通信模塊使用通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)傳輸和接收。最適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)需求的標(biāo)準(zhǔn)和大部分節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)模塊是IEEE 802.15.4 (IEEE, 2006)和ZigBee (Baronti et al., 2007)。為應(yīng)用而設(shè)計(jì)的這些標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速度不是很快，但它們有可能使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在不充電下由電池供電工作幾周甚至幾個(gè)月。電源的功能是使用高性能功率轉(zhuǎn)換器的電池來(lái)供應(yīng)能量。最后，在傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)與計(jì)算機(jī)或其它網(wǎng)絡(luò)通信。本文介紹了在園藝農(nóng)場(chǎng)里引入無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)。其他工作最近已證明無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)成功地應(yīng)用到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(Burrell et al., 2004; Pierce and Elliot, 2008)。該農(nóng)場(chǎng)位于西班牙東南部的穆?tīng)栁鱽喌貐^(qū)的坎波卡塔赫納，是歐洲最重要的園藝區(qū)之一。在氣候方面，它是一個(gè)年降雨量約400mm的半干旱區(qū)。盡管如此，190,000公頃，31的總種植面積，目前正在灌溉；51,000公頃用于種植草本作物，91,000公頃種植木本作物。該農(nóng)場(chǎng)已實(shí)行生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)，也稱(chēng)為生物或有機(jī)耕作。這是一種尊重自然和正常排除使用化學(xué)品（農(nóng)藥、除草劑等）及轉(zhuǎn)基因種子（稱(chēng)為轉(zhuǎn)基因生物）來(lái)種植作物和照料土地的方法。這種耕作方式的主要目的是保護(hù)環(huán)境、維持或提高土壤的肥力和生產(chǎn)帶有其自然屬性的食物。這家公司有長(zhǎng)期有機(jī)耕作的經(jīng)驗(yàn)，并已率先生產(chǎn)各類(lèi)園藝產(chǎn)品(Rocket, Iceberg, Romaine, Mixed Salads, etc.)。其最大的市場(chǎng)是英國(guó)。該農(nóng)場(chǎng)是中型（1000公頃）的、有250個(gè)農(nóng)田一個(gè)接一個(gè)地遍布在離坎波卡塔赫納幾公里之外。作為一個(gè)規(guī)范的研究項(xiàng)目，考慮使用10個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)作物，成星型拓?fù)溥B接，使用一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。此外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)堆棧來(lái)存儲(chǔ)接收消息，并稍后分配一個(gè)任務(wù)來(lái)處理；支持超過(guò)10個(gè)以星型拓?fù)浞绞竭B接的節(jié)點(diǎn)。然后，這方面工作的最終目的是為農(nóng)場(chǎng)提供所必需的基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)時(shí)確定作物的缺水狀況，并做出適當(dāng)?shù)臎Q策。研究實(shí)例被設(shè)計(jì)成擁有兩個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)不同的參數(shù)。第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)收集土壤的溫度、濕度和鹽度，而第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)記錄環(huán)境的溫度和濕度。此外，一個(gè)獨(dú)立的無(wú)線(xiàn)傳感器被安放在一個(gè)池塘里測(cè)量作物供給水的鹽度。這些子網(wǎng)和獨(dú)立的無(wú)線(xiàn)傳感器通過(guò)適當(dāng)?shù)木W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送所有數(shù)據(jù)到設(shè)在中央農(nóng)場(chǎng)辦公室的基站節(jié)點(diǎn)，在那里制作關(guān)于作物的決策。設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了不同的網(wǎng)絡(luò)，低成本的特定節(jié)點(diǎn)（不帶傳感器約150$），以及連接網(wǎng)絡(luò)和中央辦公室的網(wǎng)關(guān)。一個(gè)后臺(tái)監(jiān)控應(yīng)用程序被開(kāi)發(fā)出來(lái)控制所有的設(shè)備和記錄所收到的信息到一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，以用來(lái)制作灌溉策略。在導(dǎo)言之后，第2節(jié)將介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的實(shí)驗(yàn)情況。第3節(jié)給出詳細(xì)的描述，從硬件和軟件、設(shè)備開(kāi)發(fā)到系統(tǒng)實(shí)施。第4節(jié)概述后臺(tái)監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)。第5節(jié)詳述技術(shù)和農(nóng)藝結(jié)果。最后，第6節(jié)提出總結(jié)和今后繼續(xù)開(kāi)展這項(xiàng)工作的計(jì)劃。2 實(shí)驗(yàn)情況 提出農(nóng)藝問(wèn)題的解決安排如圖1所示。這包括兩個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)獨(dú)立的無(wú)線(xiàn)傳感器。第一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由10個(gè)土壤節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接兩個(gè)埋在20或40厘米深的土壤里的Stevens Hydra Probe II傳感器。這些傳感器可以測(cè)量各種土壤特性，如溫度、體積含水率、鹽度等。第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)由10個(gè)環(huán)境節(jié)點(diǎn)組成，使用Sensirion SHT71傳感器測(cè)量環(huán)境溫度和濕度。圖1基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的園藝作物監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的田地實(shí)施插圖除了這些傳感器網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器，稱(chēng)為水節(jié)點(diǎn)，被安放在一個(gè)用于灌溉農(nóng)場(chǎng)的池塘里。無(wú)線(xiàn)傳感器的目的是來(lái)測(cè)量基于水電導(dǎo)率的鹽度和溫度，以便確定用來(lái)灌溉作物的水質(zhì)。該傳感器是Stevens EC 250。適用于傳感器的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)模塊，允許與5.5公里以外的基站直接通信。這些節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)將在下文中詳細(xì)說(shuō)明。表1總結(jié)了傳感器的主要特點(diǎn)。 這兩個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)分別遠(yuǎn)離中心電腦5.2和8.7公里。為了保證系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)覆蓋，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用和在水節(jié)點(diǎn)里同樣的技術(shù)，使用遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)模塊。每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)IEEE 802.15.4互連。為什么使用這一標(biāo)準(zhǔn)，將在下一節(jié)詳細(xì)說(shuō)明軟件架構(gòu)時(shí)解釋。當(dāng)消息通過(guò)網(wǎng)關(guān)到達(dá)中心計(jì)算機(jī)，中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控應(yīng)用程序處理和檢查其來(lái)源及其所包含的信息。消息存儲(chǔ)在一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，其中保存了傳感器收集到的數(shù)據(jù)和各時(shí)期的歷史記錄。表2概述已開(kāi)發(fā)和部署在農(nóng)場(chǎng)的各種不同設(shè)備的特點(diǎn)。以下各節(jié)將詳細(xì)說(shuō)明每一個(gè)已開(kāi)發(fā)的節(jié)點(diǎn)、需求和監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)。表1總結(jié)所使用傳感器的主要特點(diǎn)表2 總結(jié)農(nóng)場(chǎng)已開(kāi)發(fā)的設(shè)備3 設(shè)備開(kāi)發(fā)在上一節(jié)我們看到，選擇用來(lái)處理所提出問(wèn)題的解決方案是使用節(jié)點(diǎn)（土壤節(jié)點(diǎn)、環(huán)境節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）布置兩個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)測(cè)量水質(zhì)的無(wú)線(xiàn)傳感器和在中央辦公室的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（在屋頂上的中繼節(jié)點(diǎn)和連接到監(jiān)測(cè)電腦的基站節(jié)點(diǎn)）。本文所描述的設(shè)備是在ESNA（European Sensor Network Architecture, 歐洲傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)）背景和RIMSI項(xiàng)目下開(kāi)發(fā)的，是為了滿(mǎn)足各種網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的需求（長(zhǎng)至10公里），以及是因?yàn)闆](méi)有節(jié)點(diǎn)適合農(nóng)業(yè)工具市場(chǎng)上提供的SDI-12標(biāo)準(zhǔn) (SDI, 2005)。在設(shè)計(jì)這些設(shè)備時(shí)考慮到的主要需求有：（1）魯棒的無(wú)線(xiàn)技術(shù)；（2）低成本、低功耗的電子設(shè)備；（3）長(zhǎng)期能源的使用和減少大?。s2700 mAh）；（4）連接不同類(lèi)型的外置傳感器的輸入/輸出接口的使用 (SDI-12, I2C, 420mA)。下面詳細(xì)列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)、使用的傳感器、節(jié)點(diǎn)功能和軟件組件的開(kāi)發(fā)。作為ESNA和RIMSI項(xiàng)目的結(jié)果，有一個(gè)設(shè)備開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)視頻：http:/www.dsie.upct.es/proyectos/projects.html。3.1 土壤節(jié)點(diǎn) 圖2顯示了土壤節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)及其在田地的放置。土壤節(jié)點(diǎn)由一個(gè)微控制器、一個(gè)短程無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器、一個(gè)SDI-12接口、兩個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器和一套電池組成（見(jiàn)圖2a和b）。所有元件放入IP67保護(hù)等級(jí)的水密箱里。圖2土壤節(jié)點(diǎn)和Hydra Probe II傳感器的各種觀(guān)察視圖微控制器選擇德州儀器的Msp430F1611，使用TinyOS version 2 編程 (Tiny, 2008) (Hill et al., 2000)。所有其他節(jié)點(diǎn)都使用相同的微控制器。短程無(wú)線(xiàn)模塊使用CC2420（Chipcon），也來(lái)自德州儀器。該模塊與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、帶寬為250 Kbps、2.4GHz的無(wú)線(xiàn)通信來(lái)交換數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和辦公室之間的網(wǎng)關(guān)。能量由連接到第二個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的三個(gè)AA NiMH 2700mAh可充電電池供應(yīng)。這個(gè)轉(zhuǎn)換器提供2.5伏直流電給節(jié)點(diǎn)的所有組件。我們將在第5節(jié)看到，這些電池持續(xù)了7個(gè)月左右，對(duì)于一個(gè)正常的農(nóng)事季節(jié)來(lái)說(shuō)這能保證足夠多的時(shí)間。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)SDI-12接口連接兩個(gè)Stevens Hydra Probe II (HP2)傳感器（見(jiàn)圖2c）。 SDI-12是1200波特率的串行數(shù)據(jù)接口。這是一個(gè)連接電池供電的數(shù)據(jù)記錄器與基于微處理器的用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集的傳感器的接口標(biāo)準(zhǔn)。HP2是一個(gè)原位土壤傳感系統(tǒng)，能測(cè)量22種不同的土壤參數(shù)，同時(shí)以數(shù)字形式輸出。它即刻計(jì)算出土壤水分、電導(dǎo)率/鹽度和溫度。土壤節(jié)點(diǎn)從HP2傳感器監(jiān)測(cè)四種參數(shù)（土壤溫度、土壤鹽分ClNa的g/l、土壤水分的體積百分比和隨溫度校正的土壤電導(dǎo)率S/m）；用戶(hù)可在接收端PC機(jī)配置采樣周期，范圍在30分鐘到48小時(shí)之內(nèi)。因?yàn)椴蓸油ǔＪ前葱r(shí)的，決定于每個(gè)讀周期發(fā)送讀取的數(shù)據(jù)，因而結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可用性，以及合理的能量消耗。該器件還監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)達(dá)到臨界水平時(shí)發(fā)出了一個(gè)信號(hào)。該節(jié)點(diǎn)使用TinyOS 2.0操作系統(tǒng)編程，相關(guān)的編程語(yǔ)言為nesC (Gay et al., 2003)，這是專(zhuān)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的。TinyOS是一個(gè)設(shè)計(jì)用來(lái)運(yùn)行在分布式嵌入式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作環(huán)境。nesC被創(chuàng)建為C編程語(yǔ)言的延伸，使用“wired”組件來(lái)運(yùn)行TinyOS上的應(yīng)用。組件使用接口相互連接。TinyOS為通用抽象提供接口和組件，如數(shù)據(jù)包通信、路由、傳感、驅(qū)動(dòng)和存儲(chǔ)。TinyOS是一個(gè)眾所周知的新無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的可選替代，并提供可重復(fù)使用的組件，以確保遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的可靠通信，并支持許多硬件（微控制器、收發(fā)器、傳感器）。此外，還有一個(gè)用nesC撰寫(xiě)的ZigBee (Open-ZB) 實(shí)現(xiàn)。起先作者不知道多跳路由協(xié)議是否可能需要。為此，和其他原因，如：（1）TinyOS是一個(gè)開(kāi)放的源代碼，（2）當(dāng)需要的時(shí)候允許應(yīng)用軟件直接訪(fǎng)問(wèn)硬件，（3）支持多種硬件平臺(tái)，TinyOS被選擇用來(lái)開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用軟件。3.2 環(huán)境節(jié)點(diǎn)為了便于閱讀，以下我們不討論其他節(jié)點(diǎn)與土壤節(jié)點(diǎn)的共同點(diǎn)，只討論新的元件和功能的細(xì)節(jié)。 環(huán)境節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖3）記錄作物的環(huán)境溫度和濕度參數(shù)。正如我們?cè)趫D3a和b中看到的，節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)類(lèi)似于土壤節(jié)點(diǎn)，除了與外部傳感器的接口。圖3環(huán)境節(jié)點(diǎn)的各種觀(guān)察視圖每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)I2C接口連接Sensirion SHT71傳感器（見(jiàn)圖3c），放置在一個(gè)離地面1米半高的日光保護(hù)罩里。這些類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)采取引用參數(shù)讀數(shù)的最高頻率為2個(gè)讀數(shù)/小時(shí)。環(huán)境節(jié)點(diǎn)放置在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)周?chē)霃郊s100米之內(nèi)的地方。最初安排這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括10個(gè)節(jié)點(diǎn)。同樣，該節(jié)點(diǎn)也使用TinyOS編程。SensirionSht11C組件用來(lái)滿(mǎn)足上文所述的功能。此外， Msp430ADC0C用于采樣微處理器的ADC0模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以確定當(dāng)電池電壓低于某一閾值時(shí)，發(fā)出低能量警報(bào)。3.3 水節(jié)點(diǎn)水節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖4）測(cè)量用于灌溉作物的池塘水的溫度和鹽度。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)通過(guò)使用適合戶(hù)外8dBi全向性天線(xiàn)的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)模塊(XStream X24-019PKI-RA radio modem)直接與辦公室連接通信。其余結(jié)構(gòu)和前述節(jié)點(diǎn)的非常相似（見(jiàn)圖4a和b）。Stevens EC 250傳感器淹沒(méi)在池塘里。這兩個(gè)傳感器輸出（溫度和鹽度）420mA的信號(hào)；當(dāng)電流回路穿過(guò)一個(gè)電阻器后，微控制器的ADC0和ADC1轉(zhuǎn)換器讀取這兩個(gè)傳感器。讀取這些參數(shù)的最高參數(shù)頻率是2讀數(shù)/小時(shí)。節(jié)點(diǎn)由太陽(yáng)能電池板供電，并封裝在放置池塘邊的水密箱里。其天線(xiàn)安裝在約4米高的桅桿上。圖4 水節(jié)點(diǎn)的各種觀(guān)察視圖EC250C組件再次使用TinyOS來(lái)開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足上文所述的功能。3.4 網(wǎng)關(guān)、基站和中繼節(jié)點(diǎn)正如我們?cè)趫D1中看到的，設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施需要兩個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線(xiàn)傳感器與辦公室互連：（1）每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)基于環(huán)境節(jié)點(diǎn)，另外一個(gè)基于土壤節(jié)點(diǎn)；（2）中繼節(jié)點(diǎn)位于辦公樓屋頂；（3）基站節(jié)點(diǎn)放置在辦公室內(nèi)，物理連接到監(jiān)測(cè)電腦。圖5a和b詳細(xì)顯示了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)圖像及其硬件架構(gòu)框圖。微控制器與作物節(jié)點(diǎn)通過(guò)短距離無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行通信，而與在辦公室處的中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)模塊通信。由于采用可充電太陽(yáng)能電池，能量供應(yīng)壽命已經(jīng)足夠。太陽(yáng)能電池板是Zodiac Solar的TPS 102/5 (12V, 5W) 面板，成30角安裝。在最壞的情況下，在卡塔赫納區(qū)的平均太陽(yáng)輻射在這個(gè)角度測(cè)試時(shí)為4600 Wh/m2。網(wǎng)關(guān)能耗為7.8瓦時(shí)。因此，面板能給節(jié)點(diǎn)能耗提供更多的能量。圖5c顯示節(jié)點(diǎn)系在農(nóng)場(chǎng)的桅桿上。為了確?；竟?jié)點(diǎn)有足夠的覆蓋面，主天線(xiàn)架設(shè)在高約9米的辦公室屋頂。主天線(xiàn)和基站節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)連接也是通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)?；竟?jié)點(diǎn)收集傳感器網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的所有信息（在中繼節(jié)點(diǎn)的幫助下），并傳輸?shù)介_(kāi)發(fā)用來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序。同樣，軟件應(yīng)用程序可廣播任何命令給傳感器網(wǎng)絡(luò)。該節(jié)點(diǎn)由連接3dBi全向天線(xiàn)的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)模塊（2.4 GHz）和一個(gè)用于連接中心計(jì)算機(jī)的RS-232接口組成。中繼節(jié)點(diǎn)是一個(gè)配置為轉(zhuǎn)發(fā)器模式的商業(yè)無(wú)線(xiàn)電調(diào)制解調(diào)器，連接到一個(gè)8dBi的全向性天線(xiàn)。在戶(hù)外可提供了16公里的視距覆蓋范圍。圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的各種觀(guān)察視圖4 監(jiān)控應(yīng)用程序監(jiān)控應(yīng)用程序由以下集成：（1）圖形用戶(hù)界面（GUI）顯示從傳感器讀取到的數(shù)據(jù)，（2）接收和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的程序。這兩個(gè)程序使用Java編程語(yǔ)言、Eclipse環(huán)境和MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。這些應(yīng)用程序的基本特點(diǎn)可歸納如下：1 圖形用戶(hù)界面，包括使用Google Maps所提供的實(shí)用程序定位設(shè)備的位置。這樣，我們就能確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)和作物的確切地理位置（見(jiàn)圖6）。2 傳感器讀取的數(shù)據(jù)定期發(fā)送到基站并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)里（程序等待一個(gè)事件觸發(fā)，表明串口有數(shù)據(jù)）。GUI將讀取這些數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)圖形可視化它們。此外，用戶(hù)應(yīng)用程序可修改采樣周期。3 數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)存儲(chǔ)部署的節(jié)點(diǎn)、其匯聚區(qū)域、集成在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器、讀取歷史記錄、傳感器類(lèi)型、傳感器和地區(qū)發(fā)出警報(bào)的歷史記錄（例如電池失效、低于某一閾值等）。頂部的菜單欄提供了如上所述的選項(xiàng)（見(jiàn)圖6）。屏幕右邊的谷歌地圖用來(lái)描述部署節(jié)點(diǎn)的地理位置。左邊三個(gè)表顯示從傳感器讀取的最新數(shù)據(jù)，而三個(gè)網(wǎng)絡(luò)顯示在右側(cè)。表格之下的圖形按用戶(hù)選擇的時(shí)間間隔顯示數(shù)據(jù)，或者提供收集到的最新數(shù)據(jù)。土壤和環(huán)境節(jié)點(diǎn)都提供以下服務(wù)：改變傳感器的采樣周期和配置設(shè)備按每小時(shí)電池供電發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)電池充電嚴(yán)重不足時(shí)，它們觸發(fā)警報(bào)信號(hào)。此外，土壤節(jié)點(diǎn)還提供其他服務(wù)，如：設(shè)定土壤類(lèi)型、配置測(cè)量數(shù)據(jù)集、設(shè)定灌溉水量和建立預(yù)熱時(shí)間。請(qǐng)注意，所有服務(wù)都提供了發(fā)送一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)組合來(lái)設(shè)置采樣周期。圖6 監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序的主視圖5 結(jié)果實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法包括兩個(gè)階段：第一個(gè)階段在實(shí)驗(yàn)室，第二個(gè)階段在田地里。在第一階段部署所有的子網(wǎng)（只用四個(gè)節(jié)點(diǎn)作為土壤節(jié)點(diǎn)和環(huán)境節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)的例子）、兩個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、基站和中繼節(jié)點(diǎn)。這一階段的主要作用是驗(yàn)證所提出的硬件和軟件解決方案。驗(yàn)證沒(méi)有使用低能耗技術(shù)的硬件與軟件版本。一旦保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，下一步是審查軟件，以便合并低能耗模式到所有節(jié)點(diǎn)，除了主要部分的供電（基站和中繼節(jié)點(diǎn)）。這樣，我們達(dá)到系統(tǒng)的充分自治，以確保節(jié)點(diǎn)可以運(yùn)作整個(gè)園藝周期（10周）。第二階段的目標(biāo)是，在實(shí)際農(nóng)場(chǎng)條件下進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)估所開(kāi)發(fā)裝置的功能性能，如范圍、魯棒性和靈活性。為了達(dá)到所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)結(jié)果實(shí)現(xiàn)的充分評(píng)估，從以下觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行了分析：（1）從設(shè)備開(kāi)發(fā)和技術(shù)使用的角度來(lái)看；（2）從農(nóng)業(yè)的角度來(lái)看。這些方面將在下文討論，并特別強(qiáng)調(diào)最重要的點(diǎn)。5.1 看作設(shè)備的結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室的功能驗(yàn)證后，所開(kāi)發(fā)的裝置重編程為低能耗模式，因該模式最適合運(yùn)行在田地里。這一運(yùn)作模式的詳細(xì)研究表明有必要確保整個(gè)農(nóng)業(yè)周期的自治。下文介紹針對(duì)土壤節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的研究：這項(xiàng)研究與所有其他節(jié)點(diǎn)相同。土壤節(jié)點(diǎn)有四個(gè)功能狀態(tài)：休眠、無(wú)線(xiàn)電待機(jī)接收消息、傳感器數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)傳輸。圖7顯示了節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)狀態(tài)的能耗。就其本身而言，表3列出了節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)狀態(tài)的能耗和時(shí)間。最壞的情況是采用平均能耗，從兩個(gè)傳感器每30分鐘采集和傳輸數(shù)據(jù)。本研究的最終目的是，確定節(jié)點(diǎn)的平均能耗是多少，將由此得出的數(shù)字直接關(guān)聯(lián)電池的電能，從而確定該設(shè)備的自治時(shí)間。節(jié)點(diǎn)的平均能耗可以如下確定：表達(dá)式（2）表明待機(jī)能耗。表達(dá)式（3）表示節(jié)點(diǎn)在接收模式為每10秒15毫秒脈沖時(shí)的平均能耗。表達(dá)式（4）和（5）反映類(lèi)似的計(jì)算，僅乘以二，這是許多連接到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)目。表達(dá)式（1）給出了土壤節(jié)點(diǎn)的平均電流消耗，大約0.5035毫安。由于土壤節(jié)點(diǎn)的電池是2700mA/H，其估計(jì)自治時(shí)間為223天，足以保證正常運(yùn)作整個(gè)農(nóng)業(yè)或園藝季節(jié)。其他設(shè)備的能耗研究與土壤節(jié)點(diǎn)一樣遵循同樣的過(guò)程。結(jié)果總結(jié)見(jiàn)表3。節(jié)點(diǎn)安置在田地如此消耗后，驗(yàn)證測(cè)試持續(xù)了9個(gè)星期以上，沒(méi)有收到任何設(shè)備的低電量警報(bào)，這表明太陽(yáng)能電池板工作正常以及驗(yàn)證能耗評(píng)估。圖7 設(shè)備的自治研究表3 不同設(shè)備的能耗和自治時(shí)間為了覆蓋設(shè)備，放在辦公室內(nèi)的基站節(jié)點(diǎn)，使用3dBi全向天線(xiàn)。由于建筑的覆蓋狀況，中繼節(jié)點(diǎn)不得不從一開(kāi)始就放在屋頂上。這提供了中繼節(jié)點(diǎn)和配備XStream的節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)和水節(jié)點(diǎn)）之間達(dá)10公里的覆蓋面。所有裝在戶(hù)外的8dBi全向性天線(xiàn)，安裝在四米高的桅桿上，以避免任何障礙。一旦傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)定位好，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與土壤節(jié)點(diǎn)之間的最大覆蓋范圍是50米，和環(huán)境節(jié)點(diǎn)的100米。土壤節(jié)點(diǎn)放置在園藝作物里。因?yàn)樽魑镓S富的根部，傳感器需埋入20或40厘米深的土壤里。和環(huán)境節(jié)點(diǎn)不同，土壤節(jié)點(diǎn)放在地面上，因而覆蓋較差。當(dāng)土壤節(jié)點(diǎn)第一次安裝時(shí)，作物的頂部略高于地面，所以節(jié)點(diǎn)工作完美。然而，幾個(gè)月后它們停止了工作，當(dāng)作物開(kāi)始向上長(zhǎng)時(shí)。這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)解決，將原來(lái)天線(xiàn)替換為3dBi全方位版本。5.2 農(nóng)業(yè)成果驗(yàn)證測(cè)試在位于西班牙東南部的坎波卡塔赫納區(qū)（374426N, 11338W）占地4公頃的生態(tài)作物大白菜(Brassica oleracea L. var. Capitata)里進(jìn)行。在2008年2月最后一個(gè)星期移植幼苗（種植密度為每平方米7株），10個(gè)星期后（2008年5月的第二周）作物收獲。在40厘米深的作物土壤特性是：粘壤土質(zhì)地，總碳酸鹽35.4 p.100，磷（Olsen）78.6ppm，鉀（Ac-NH4）487.0ppm。滴灌系統(tǒng)埋在兩行作物之間和每0.20米安裝1升/小時(shí)的發(fā)射嘴。使用噴灑化肥給作物施肥。在3月的第一個(gè)星期部署節(jié)點(diǎn)，這時(shí)農(nóng)場(chǎng)主開(kāi)始收集無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。土壤節(jié)點(diǎn)的傳感器置于20厘米和40厘米深的作物底下。在此期間，有80mm累積雨量，達(dá)65 km/h的中等強(qiáng)風(fēng)和溫和的溫度（平均15.2）。圖8顯示了10周內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)（土壤濕度和空氣溫度）。Hydra Probe傳感器提供準(zhǔn)確的土壤濕度測(cè)量，水容積的單位為體積（wfv或m3m3）。也就是說(shuō)，土壤里的水的比例以十進(jìn)制形式顯示。例如，0.20 wfv水含量意味著一公升的土壤樣品含有200毫升的水。充分飽和度（所有土壤孔隙空間裝滿(mǎn)了水）通常發(fā)生0.5和0.6 wfv之間，并且相當(dāng)依賴(lài)土壤。節(jié)點(diǎn)被驗(yàn)證能正常運(yùn)行。這為類(lèi)似的氣候條件提供了一些魯棒性保證。圖8 10周監(jiān)測(cè)過(guò)程的記錄數(shù)據(jù)在介紹此技術(shù)之前，公司用傳統(tǒng)方式監(jiān)測(cè)其作物，即一個(gè)人用適當(dāng)?shù)谋銛y設(shè)備觀(guān)察作物和池塘來(lái)衡量相關(guān)的農(nóng)藝參數(shù)?，F(xiàn)在，使用所開(kāi)發(fā)的技術(shù)，作物變量可以實(shí)時(shí)確定，作物的水需求不用派人去觀(guān)察它們就可以估算。農(nóng)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保持白菜生長(zhǎng)的最佳條件（鹽度范圍為24 mmhos/cm，溫度在10和24之間，相對(duì)濕度在60-90的范圍）。6 總結(jié)在這里描述的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)真正監(jiān)測(cè)作物土壤和環(huán)境狀況的機(jī)會(huì)。該系統(tǒng)成功地在所需精度下監(jiān)測(cè)了生態(tài)白菜作物的整個(gè)生長(zhǎng)期。農(nóng)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在能夠收集更全面和更準(zhǔn)確的空間和時(shí)間數(shù)據(jù)。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)受益于把高技術(shù)融合到通信和信息技術(shù)領(lǐng)域。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收集在廣泛范圍內(nèi)的土壤和環(huán)境條件測(cè)量值的能力是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本要求。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)是能顯著減少和簡(jiǎn)化布線(xiàn)、更快地部署、無(wú)限制安裝傳感器的靈活性、以及更好的移動(dòng)性。盡管這項(xiàng)技術(shù)潛力很大，但一些困難已被發(fā)現(xiàn)（缺乏有經(jīng)驗(yàn)的工作人員解決問(wèn)題、傳感器成本高、電源供應(yīng)問(wèn)題等等）。結(jié)果的良好獲得，刺激去適配基礎(chǔ)設(shè)施部署到其他情況下，將新的土壤和環(huán)境參數(shù)結(jié)合到不同類(lèi)型的園藝作物。需要在不同情況下重用基礎(chǔ)設(shè)施的主要努力是允許農(nóng)場(chǎng)辦公室和網(wǎng)關(guān)之間的最大距離（達(dá)到10公里）。中期報(bào)告的目的是建立一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)，以協(xié)助灌溉管理，結(jié)合氣候（ET）和土壤水分平衡模型來(lái)估算作物需水量，優(yōu)化灌溉編程和遠(yuǎn)程操縱灌溉設(shè)備的能力。鳴謝 作者要感謝為支持這項(xiàng)工作的西班牙工業(yè)部，Edosoft Factory S.L.，RIMSI項(xiàng)目（FIT-330100-2006-173）和ESNA（ITEA 2006），F(xiàn)undacin Sneca of the Murcia Region (refs. ID-02998/PI/05, 08754/PI/08)和CICYT MEDWSA（ref. TIN1006-15175-C05-02），教育和科學(xué)部。作者也感謝反饋寶貴意見(jiàn)的匿名評(píng)審們。參考文獻(xiàn)Akyildiz, I.F., Su,W., Sankarasubramaniam, Y., Cayirci, E., 2002. Wireless sensor networks: a survey. Comput. Networks 38, 393422.Baronti, P., Pillai, P., Chook, V.W., Chessa, S., Gotta, A., Fu, Y.F., 2007. Wireless Sensor Networks: a survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards. Comput. Commun. 30, 16551695.Blackmore, S., 1994. Precision farming: and introduction. Outlook Agr. 23, 275280.Burrell, J., Brooke, T., Beckwith, R., 2004. Vineyard computing: sensor networks in agricultural production. IEEE Pervas. Comput. 3, 3845.Camilli, A., Cugnasca, C.E., Saraiva, A.M., Hirakawa, A.R., Corra, L.P., 2007. From wireless sensor to field mapping: Anatomy of an application for precision agriculture. Comput. Electron. Agr. 58, 2536.Chiti, F., De Cristofaro, A., Fantacci, R., Tarchi, D., Collodo, G., Giorgetti, G., Manes, A., 2005. 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