基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发

温湿度 测量 采集

第３８卷第３期

吉林大学学报（工学版）

Ｖ０１．３８Ｎｏ．３２００８年５月

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｄｉｔｉｏｎ）

Ｍａｙ

２００８

基于无线传感器网络的农田土壤温

湿度监测系统的设计与开发

刘

卉１，汪懋华１，王跃宣２，马道坤１，李海霞

（１．中国农业大学精细农业研究中心，北京１０００８３；２．清华大学理论计算机科学研究所，北京１０００８４）

摘要：根据农田环境的应用需求，设计了农田土壤温湿度监测系统，该系统由农田无线监测

网络和远程数据中心两部分组成。采用以ＪＮ５１２１无线微处理器为核心的传感器节点开发策略，构建基于ＺｉｇＢｅｅ协议的无线监测网络；采用ＡＲＭ９微处理器￥３Ｃ２４１０，基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ开发的网关节点实现数据汇聚和ＧＰＲＳ通信方式的远程数据转发。远程数据中心的管理软件ＦｉｅｌｄＮｅｔ采用了数据库管理模式，并通过应用ＥＳＲＩ嵌入式ＧＩＳ组件库ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ进行监测数据的实时变化和空间变异分析。系统的设计开发为精细农业时空差异性与决策灌溉研究提供了有效工具。

关键词；农业工程；土壤温湿度监测系统；无线传感器网络；ＺｉｇＢｅｅ；精细农业

中图分类号：￥２３７；ＴＮ９１９．７２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—５４９７（２００８）０３一０６０４一０５

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｆａｒｍｌａｎｄｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｓｅｎｓｏｒ

ｎｅｔｗｏｒｋ

ＬｉｕＨｕｉｌ，ＷａｎｇＭａｏ—ｈｕａｌ，ＷａｎｇＹｕｅ－ｘｕａｎ２，ＭａＤａｏ—ｋｕｎｌ，ＬｉＨａｉ—ｘｉａｌ

（１．ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ

ｆｏｒＰｒｅｃｉｓｉｏｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒ

ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｓｅｎｓｏｒ

ｎｅｔｗｏｒｋ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎ

ｐｒｏｖｉｄｅｏｐｔｉｍａｌ

ａｎｄ

ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

ｓｏｌｕｔｉｏｎ

ｔｏ

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ

ｄａｔａ

ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｄｅｌｉｖｅｒｙａｎｄ

ａｎａｌｙｓｉｓ

ｉｎ

ｆａｒｍｌａｎｄ．Ａｎｉｎ－ｆｉｅｌｄｓｏｉｌ

ｍｏｉｓｔｕｒｅａｎｄ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｉｎｆａｒｍｌａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｈｅｓｏｉｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒ

ｎｅｔｗｏｒｋ

ａｎｄｒｅｍｏｔｅｄａｔａ

ｃｅｎｔｅｒ．Ｉｎｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｓｅｎｓｏｒ

ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅ

ｓｅｎｓｏｒ

ｎｏｄｅｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｕｓｉｎｇＪＮＳ１２１ｍｏｄｕｌｅ，ａｎＩＥＥＥ

８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅｗｉｒｅｌｅｓｓｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅｓｉｎｋｎｏｄｅｓｆｏｒａｇｇｒｅｇａｔｉｎｇａｎｄｄｉｌｅｖｅｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ

ｄａｔａｉｓｂａｓｅｄ

ｏｎ

ＡＲＭ９

ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ

ｐｌａｔｆｏｒｍｉｎｏｒｄｅｒ

ｔｏ

ｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａ

ＧＰＲＳｍｏｄｕｌｅｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｎｔｏｔｈｅｓｉｎｋｎｏｄｅｆｏｒｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｒｅｍｏｔｅｄａｔａｃｅｎｔｅｒ，ｔｈｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｒｕｎｎｉｎｇ

ｏｎ

ｔｈｅｈｏｓｔ

ｃｏｍｐｕｔｅｒ

ｉｓ

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ

ｆｏｒｒｅａｌ—ｔｉｍｅｄａｔａ

ｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｎｄｌｏｇｇｉｎｇｂａｓｅｄｏｎ

ｄａｔａｂａｓｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｉｔａｌｓｏｕｓｅｓ

ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ，ａｎｅｍｂｅｄｄｅｄ

ＧＩＳｄｅｖｅｌｏｐｅｒｋｉｔｔｏ

ｒｅａｌｉｚｅ

ｏｎ—ｌｉｎｅｓｐａｔｉａｌａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｆｉｎ—ｆｉｅｌｄｄａｔａ．Ｔｈｉｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｍａｙ

ｐｒｏｖｉｄｅ

ａｎ

ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｏｌｆｏｒｓｐａｔｉａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ

ｆｏｒｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｄｅｃｉｓｉｏｎｍａｋｉｎｇｉｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎ

收稿日期：２００７—０９—２１．

基金项目：“８６３”国家高技术研究发展计划项目（２００６ＡＡｌ０２２１６）．

作者简介：刘卉（１９７８一），女，博士研究生．研究方向：“精细农业”智能信息支持技术．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｈｕｉ＿ｍａｉｌ＠Ｃａｌｌ．ｅｄｕ．ｃｎ

通讯联系人：汪懋华（１９３２一），男，教授，中国工程院院士．研究方向：“精细农业”智能信息支持技术，农业与生物系统

工程．Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｈｗ＠ｐｕｂｌｉｃ．ｂｔａ．ｎｅｔ．ｃａ

万　

方数据

温湿度 测量 采集

第３期

ａｌｇｒｉｃｕｈｕｒｅ．

Ｋｅｙ

刘卉，等：基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发

６０５’

ｗｏｒｄｓ：ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ｝ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｓｅｎｓｏｒ

ｎｅｔｗｏｒｋ；ＺｉｇＢｅｅ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ

目前，国内外科研人员已经将无线传感器网络技术应用于不同农业环境监测领域ｎ１］。作者以农田应用为背景，以研究土壤水分及温度的连续时空变异，指导决策灌溉为目标，通过分析农田环境具体特点，设计开发了低成本、实用化，基于无线传感器网络技术的农田土壤温湿度监测示范

系统。

１系统总体设计

１．１系统需求分析

监测系统开发前，综合分析了农田环境的应用特点，利用有利条件，规避不利因素。基于无线传感器网络的农田环境监测系统具有５个典型特点：①应用环境可知性；②充足的太阳能资源；③作物具有固定的生育周期；④应用环境动态变化；⑤农田基础设施少。

此外，农机的田间作业和各种天气条件也是系统设计过程中需要慎重考虑的因素。

１．２系统结构设计

综合分析上述应用特点，借鉴国外研究经验，设计的农田土壤温湿度监测系统总体结构如图１

所示。监测系统由无线传感器监测网络和远程数

据中心两部分组成。无线传感器监测网络由分布在农田中多个智能传感器节点组成，实时采集土壤水分、土壤温度参数，基于ＺｉｇＢｅｅ无线通信协议组建Ｍｅｓｈ网络，所有节点数据最终路由到网关节点，由网关节点将全部数据通过ＧＰＲＳ无线

圈ｌ

监测系统结构示意图

Ｆｉｇ．１

ＳｙｓｔｅｍＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ

万　

方数据通信传输方式转发到远程数据中心，监汉４网络中的所有节点均采用太阳能供电模式。远程数据中心负责数据的接收、存储和时空分析。

２农田土壤温湿度监测网络的实现

２．１传感器节点

传感器节点是一个微型的嵌入式系统，具有一定的处理能力和通信能力。

（１）硬件设计

传感器节点以Ｊｅｎｎｉｃ公司的ＪＮ５１２５无线微

处理器模块为核心，扩展了通信接口、总线接口、传感器接口和供电接口设计。ＪＮ５１２１模块具有

１６

ＭＨｚ、３２位ＣＰＵ，支持２．４ＧＨｚＩＥＥＥ８０２．

１５．４的无线通信组件，同时提供了４路ＡＤＣ输入和２路ＤＡＣ输入、异步串行口、ＳＰＩ接口等，为用户提供节点设计的集成化解决方案。图２为传感器节点控制板结构设计框图，采用了太阳能电

矬ｌＭＢ

Ｆ１ａｓｈ

Ｉ竺兰苎查！！

矬兰肺

叫［附一

罡竺Ⅲ

：＝

一蘸

时钟

Ｒ￥４８５Ｒ￥２３２

电源管理

』皂兰皇娑—Ｉ

太阳能电池Ｉ

拧制器Ｉ～

ｈ【传感器接口Ｆ｛信号调理

Ｌ一

堡壁墨

￡脚

图２传感器节点结构框图

Ｆｉｇ．２

ＳｅｎｓｏｒＮｏｄｅＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍ

源组件供电，扩展支持６路传感器数据采集，通过串行端口与上位机通信实现程序下载。土壤水分传感器采用了作者所在单位自主研制开发的ＦＤＳ系列水分传感器，运用频域方法测量含水土壤混合体的介电常数，获得土壤水分。土壤温度传感器采用了基于半导体ＰＮ极测量原理的ＳＴｌ０，主要技术参数见表１，将不同传感器分别连接到节点控制板的传感器接口，经信号调理后接入ＪＮＳｌ２１的Ａ／Ｄ通道，通过标定曲线转换得到

对应的测量参数值。图３为传感器节点实物照

片。

温湿度 测量 采集

６０６

吉林大学学报（工学版）

第３８卷

表Ｉ传感器技术参数

Ｔａｂｌｅ１

Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆ

ｓｅｎｓｏｒｓ

传感器名称技术参数ＦＤＳ土壤

单位；％（ｍ３ｍ一３）量程：Ｏ～１００％测量精度：士３％

水分传感器

输出信号：ｏ～１．５ＶＤＣ工作电压：５～１２

ＶＤＣ

工作电流：３５ｍＡ左右

ＳＴｌ０土壤单位：℃

温度传感器

量程；一２０～５０

测量精度：土ｏ．５

图３传惑器节点

Ｆｉｇ．３

Ｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅ

（２）板载软件设计

无线传感器网络应用短距离无线通信技术，ＺｉｇＢｅｅ协议是由ＺｉｇＢｅｅ联盟制定的用于短距离无线通信技术标准之一。协议的物理层（ＰＨＹ）和媒体接人层（ＭＡＣ）采用ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议，网络／安全层实现ＰＡＮ（个人域网）的组网连接、数据管理和网络安全，应用层为实际应用提供框架模型。ＺｉｇＢｅｅ有３个工作频段，其中２．４

Ｈｚ

为全球通用免费的ＩＳＭ频段。ＺｉｇＢｅｅ协议主要用于低能耗、低成本设备的低速互连［Ｉ］。ＺｉｇＢｅｅ协议特点符合农田监测网络的应用要求。

为支持ＪＮ５１２１模块系列开发，Ｊｅｎｎｉｃ公司提供了专门的软件开发平台以及ＩＥＥＥ

８０２．１５．４

和ＺｉｇＢｅｅ网络堆栈。设计中采用了网状网拓扑结构，网关节点内嵌的ＪＮ５１２１模块作为ＺｉｇＢｅｅ协议监测网络的协调器（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ），负责配置网络参数、启动网络并维持网络正常工作；在传感器节点中，为了满足网络覆盖，同时尽可能降低节点能耗和节约成本，将少量传感器节点充当路由器，完成传感器数据采集和路由其他设备数据到协调器的功能，而大部分传感器节点作为终端设备，只采集传感器数据并发送给附近的路由器或协调器。在程序设计中，用户只需根据设计目标，

万　

方数据调用ＺｉｇＢｅｅ协议栈的ＡＰＩ应用编程接口函数实现网络管理层的设备初始化、配置网络、启动加入网络、路由功能，其中消息传播和路由发现是自动完成的，用户无法干预。另外还需定义应用配置文件。图４为协调器和路由器初始化及通信的简化程序设计流程图。另外为满足应用需求，在设计过程中还涉及到时间同步、节点休眠与唤醒等算法的实现。

初始化

初始化

无线电通道、１６位短地址

无线电通道、１６位短地址

串行口

Ａ／Ｄ设备

ＺｉｇＢｅｅ协议栈、启动ＢＯＳ

ＺｉｇＢｅｅ协议栈、启动ＢＯＳ

＋

●

定义配置文件定义配置文件注册节点为协调器

注册节点为路由器

匝焘口．』’蕊篇’’爻匝志卵

—●蔓Ｌ冀颦＾＾．．产。’。

＋

叫Ｂｏｓ事件驱动处理

舶

Ｂｏｓ事件驱动处理接收数据．消息触发

定时器触发读取ＡＤ通道电压＋

：●

通过串口上传数据

通过无线电发送数据

：

圈４程序流程图

Ｆｉｇ．４

Ｐｒｏｇｒａｍｆｌｏｗｃｈａｒｔ

与传感器节点相比，网关节点要求较强的处片上资源的ＡＲＭ９微处理器￥３Ｃ２４１０为核心，根（１）无线传感器网络数据汇聚。通过异步串

！

ＲＳｌ３２

；■匝量］笨

Ｉ

ｋｈ“—－一Ｊ’－’

：ＺｉｇＢｅｅｌ办ｉ，ｑａ：

ＡＲＭ９微处理艇ＵＳ囹Ｂ器Ｓ３Ｃ２４１０

：Ｌ—一：一

存储Ｉｉ

Ｉ

ｉ

－

ｉｑ面建

：

………●‘存储

：

ｌ

：

ＧＰＲｓ模块ｉ

Ｉ／ｏ接口

：｝电源凄［Ｉ电路ｊ：

Ｉ

Ｉ

！．…．．………

ｌ基篓焖ｌ

：

ｋ－一…，．．．－．—．－－ｏ●

电源输入

：

图５网关节点结构框图

Ｆｉｇ．５

ＧａｔｅｗａｙＢｏａｒｄＢｌｏｃｋ

Ｄｉａｇｒａｍ

２．２网关节点

理能力和运行速度，因此设计中选择了具有丰富据功能需求，扩展硬件通讯接口，网关节点的结构框图如图５所示，并针对功能设计，采用嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统完成定制开发。嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统支持有内存保护、多任务、多进程，并且具有源代码开放、支持大部分芯片、操作系统可裁剪、性能稳定、功能强大、易于移植和开发等优

点‘引。

温湿度 测量 采集

第３期

刘

卉，等：基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发

’６０７‘

行端口连接作为ＺｉｇＢｅｅ网络协调器的ＪＮ５１２１无线通信模块，网络协调器功能由ＪＮ５１２１板载程序自行完成，嵌入式Ｌｉｎｕｘ只需完成串口数据通信功能。

（２）ＧＰＲＳ远程数据转发。通过另一个异步串行端口连接ＧＰＲＳ通讯模块ＳｉｅｍｅｎｓＭＣ３５ｉ。实现ＧＰＲＳ远程数据通信需要自下而上完成驱动层、协议层和应用层设计。在配置嵌入式Ｌｉｎｕｘ内核时选中支持串口设备实现对ＭＣ３５ｉ

模块的驱动；嵌入式Ｌｉｎｕｘ内核支持ＰＰＰ（Ｐｏｉｎｔ

ｔＯ

Ｐｏｉｎｔ

Ｐｒｏｔｏｃ０１）协议和ＴＣＰ／ＩＰ协议，在编译

Ｌｉｎｕｘ内核时选中支持这些选项；应用层在网络连接建立后，具体实现向远程数据中心转发数据的功能［“。

（３）传感器网络数据本地存储。采用了ＵＳＢ接口存储方式，具有容量大、可扩展、热插拔的优点。

（４）电源输入。供电部分仍采用太阳能电源，由于网关节点能耗较大，选择了功率为８Ｗ的太阳能电源组件，同时还需要进行硬件设计优化，以

降低能耗。

３远程数据中心的实现．

远程数据中心为一台具有固定公网ＩＰ地址的计算机，在其上运行的基站数据管理软件是设

计的核心。３．１开发环境

基站数据管理软件选择了Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ

Ｖｉｓｕａｌ

ｃ＋＋６．０作为开发工具，采用数据库操作方式实现节点数据存储和读取。同时为了实现对分布在农田中的监测节点所采集的定点数据进行时空分析，集成地理信息系统功能，采用了ＥＳＲＩ公司

的ＡｒｃＯＩＳＥｎｇｉｎｅ嵌人式组件库。

ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ由ＡｒｃＯｂｊｅｃｔｓ核心包封装组成，可在各种编程接１２１中调用，并且无需安装ＡｒｃＧＩＳ桌面平台。与低端的地图控件相比，ＡｒｃＥｎｇｉｎｅｅ除了提供基本的制图、数据编辑和ＧＩＳ功能外，还支持空间分析和３Ｄ分析等高级操作功能口］。

３．２功能模块

基站数据管理软件主要实现数据的接收、存储和时空分析，根据功能需求，划分成如下模块：

（１）数据接收模块。网关节点与基站之间采用ｃ／ｓ客户端服务器工作模式，基于Ｓｏｃｋｅｔ编程技术，监听本地ＩＰ地址的绑定端口，在确认客户

万　

方数据端即网关节点的连接请求后，接收数据，并根据自定义数据包协议完成数据解析。

（２）数据库存储模块。根据数据的采集时间，采用时段划分的数据存储管理方式，将解析数据存储到数据库对应表格的对应属性字段中。

（３）监测量时间变化分析模块。从数据库表中读取监测量数据，以时间为横轴，绘制监测量随时间变化的曲线，分析监测量连续变化的特性。

（４）监测量空间变异分析模块。课题创新点之一是将ＧＩＳ管理分析功能融入到无线传感器网络应用设计中。与灾害预警应用不同，农田无线传感器网络监测旨在通过节点位置上的环境变量采样估计其他非节点位置上的数据，生成环境变量的空间分布图。目前在每个节点中嵌入ＧＰＳ模块，成本过高且无必要，因此系统借鉴土壤栅格采样策略，根据预先的部署设计将节点安装在网格中，利用ＧＰＳ测量节点的精确位置，并将节点名称和位置信息输入到基站数据管理软件中，生成传感器节点图层。用设定时间间隔所接收到的最新节点数据实时更新节点图层中土壤湿度、土壤温度等监测量字段数据，通过ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ的空间分析模块实现空间插值，获得任意时段的监测量空间分布。ＲａｓｔｅｒＡｎａｌｙｓｉｓ类包含在ＧｅｏＡｎａｌｙｓｔ类库中，是栅格分析的集合，其中ＲａｓｔｅｒＩｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｏｐ对象的ＩＩｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ接１３支持距离反比、克里金法（Ｋｒｉｇｉｎｇ）、样条函数

（Ｓｐｌｉｎｉｎｇ）及趋势面（Ｔｒｅｎｄｓｕｒｆａｃｅ）等栅格插值

算法。

图６为管理软件ＦｉｅｌｄＮｅｔ的实时监测分析

界面。

图６管理软件实时监测分析界面

Ｆｉｇ．６

Ｄｉｓｐｌａｙｏｆｔｈｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｒｅａｌ－ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄ

ａｎａｌｙｓｉｓ

温湿度 测量 采集

６０８

吉林大学学报（工学版）第３８卷

４无线通信模块距离传输试验

无线信号传输过程中存在路径损耗［８］，为了合理部署传感器节点，进行ＪＮ５１２１模块距离传输试验。发送端与接收端天线高度是影响信号传输的因素之一，图７为裸地环境下传输距离随天线高度变化的曲线。另外随着作物的生长，农田环境动态变化，植被覆盖也是重要的影响因素，例如在小麦株高为６０ｃｍ的麦田中，天线高度为

１５０

ｅｍ，低功率模块的有效传输距离为５０ｍ，高

功率模块也仅为１５０ｍ。因此在无线传感器网络部署时，应注意以下问题：

唇

键

甚癣啦缀限

图７无线传输距禹随天线高度变化的曲线

Ｆｉｇ．７

Ｒａｄｉｏｒａｎｇｅ

ｏｖｅｒ

ａｎｔｅｎｎａ

ｈｅｉｇｈｔ

（１）对于同一块农田，低功率模块通信覆盖范围小，提高节点部署密度，必然增加投入成本，但有利用保证环境监测变量的采样密度；高功率模块可以较好地保证网络连通性，降低成本，但可能导致采集数据失去空间相关性，因此节点部署需综合分析通信和采样两个因素。

（２）针对农田具体覆盖作物，设计适宜的节点天线放置高度，有利于减少信号传输的路径损耗。

（３）网络拓扑结构设计中，每个作为终端设备的传感器节点在有效通信范围内至少能够与两个以上的作为路由器的传感器节点通信，以保证一条链路出现故障时不会影响到整个网络。

５

结论

（１）分析农田环境的应用需求，基于无线传感器网络技术设计了由土壤温湿度监测网络和远程数据中心两部分组成的农田监测系统。提出了广域采集、实时传输、在线分析的新型农田信息化管

理集成化解决方案。

（２）采用以ＪＮ５１２１无线微处理器模块为核心的传感器节点软硬件开发策略，构建了基于ＺｉｇＢｅｅ协议的无线监测网络，开发周期短；以

万　

方数据ＡＲＭ９微处理器为核心，基于嵌人式Ｌｉｎｕｘ开发网关节点，处理能力强，扩展性好，在网关节点设计中，采用ｃ／ｓ客户端服务器工作模式，通过ＧＰＲＳ通信方式实现数据低成本、远距离转发。

（３）基于数据库管理和嵌入式ＧＩＳ组件库ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ开发远程数据管理软件，实现对土壤温湿度监测量的存储、时间变化和空间变异分析，为研究农田时空变异性与决策灌溉提供有效工

具。参考文献：［１］Ｋｉｍ

Ｙ，ＥｖａｎｓＲＧ，Ｉｖｅｒｓｅｎ

ＷＭ，ＰｉｅｒｃｅＦＪ．１ｎ—

ｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒ

ｎｅｔ—

ｗｏｒｋ

ｆｏｒａｕｔｏｍａｔｅｄ

ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ［ｃ］／／２００６

ＡＳＡＢＥ

ＡｎｎｕａｌＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｐｏｒｔｌａｎｄ，２００６．ＡＳ—

ＡＢＥＰａｐｅｒＮｏ０６１１０５．

［２］ＲａｕｌＭｏｒａｉｓ，Ｖａｌｅｎｔｅ

Ａ，Ｓｅｒ６ｄｉｏＣ．Ａｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｓｅｎ～

ｓｏｔ

ｎｅｔｗｏｒｋｆｏｒｓｍａｒｔｉｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ

ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［ｃ］∥ＥＦＩＴＡ／ＷＣＣＡ

Ｖｉｌａ

Ｒｅａｌ

Ｐｏｒｔｕ—

ｇａｌ，２００５：８４５—８５０．

［３］乔晓军，张馨，王成，等．无线传感器网络在农业中

的应用［Ｊ］．农业工程学报，２００５，２１（２）：２３２—２３４．

ＱｉａｏＸｉａｏ－ｊｕｎ，ＺｈａｎｇＸｉｎ，ＷａｎｇＣｈｅｎｇ，ｅｔａ１．Ａｐｐｌｉ—

ｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｓｅｎｓｏｒ

ｎｅｔｗｏｒｋｓｉｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ

［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉ—

ｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，２１（２）：２３２—２３４．

［４］蒋挺，赵成林．紫蜂技术及其应用［Ｍ］．北京：北京

邮电大学出版社，２００６：８－２３．

［５］探矽工作室．嵌入式系统开发圣经［Ｍ］．北京：中国

铁道出版社，２００３：３９５—４２４．

［６］李秀红，黄天成，孙忠富，等．基于ＧＰＲＳ／ＳＭＳ的嵌

入式环境监测系统［Ｊ］．吉林大学学报：工学版，

２００７，３７（６）：１４０９—１４１４．ＬｉＸｉｕ—ｈｏｎｇ

ｔ

ＨｕａｎｇＴｉａｎ—ｓｈｕ，ＳｕｎＺｈｏｎｇ—ｆｕ，ｅｔａ１．

Ｅｍｂｅｄｄｅｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎ

ＧＰＲＳａｎｄ

ＳＭＳ［Ｊ］．Ｊｏｕｎｒａｌ

ｏｆ

ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎ—

ｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｅｄｉｔｉｏｎ），２００７，３７（６）：

１４０９－１４１４．

［７］朱仕杰，南卓铜．基于ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ的ＧＩＳ软件框架

建设［Ｊ］．遥感技术与应用，２００６．２１（４）：３８５—３９０．

Ｚｈｕ

Ｓｈｉ－ｊｉｅ，ＮａｎＺｈｕｏ－ｔｏｎｇ．ＢｕｉｌｄｉｎｇＧＩＳｆｒａｍｅ一

ｗｏｒｋｗｉｔｈ

ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ［Ｊ］．ＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌ—

ｏｇｙ

ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００６，２１（４）：３８５—３９０．

［８］Ｔｈｅｏｄｏｒｅ

Ｓ

Ｒａｐｐａｐｏｒｔ．无线通信原理与应用（２版）

［Ｍ］．周文安等译．北京：电子工业出版社，２００６：７２—

１】４．

温湿度 测量 采集

基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发

作者：作者单位：

刘卉， 汪懋华， 王跃宣， 马道坤， 李海霞， Liu Hui， Wang Mao-hua， Wang Yue-xuan， Ma Dao-kun， Li Hai-xia

刘卉,汪懋华,马道坤,李海霞,Liu Hui,Wang Mao-hua,Ma Dao-kun,Li Hai-xia(中国农业大学精细农业研究中心,北京,100083)， 王跃宣,Wang Yue-xuan(清华大学理论计算机科学研究所,北京,100084)

吉林大学学报（工学版）

JOURNAL OF JILIN UNIVERSITY(ENGINEERING AND TECHNOLOGY EDITION)2008,38(3)24次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

参考文献(8条)

1.Theodore S Rappaport;周文安 无线通信原理与应用(2版) 2006

2.朱仕杰;南卓铜 基于ArcEngine的GIS软件框架建设[期刊论文]-遥感技术与应用 2006(04)

3.李秀红;黄天成;孙忠富 基于GPRS/SMS的嵌入式环境监测系统[期刊论文]-吉林大学学报(工学版) 2007(06)4.探矽工作室 嵌入式系统开发圣经 20035.蒋挺;赵成林 紫蜂技术及其应用 2006

6.乔晓军;张馨;王成 无线传感器网络在农业中的应用[期刊论文]-农业工程学报 2005(02)

7.Raul Morais;Valente A;Ser6dio C A wireless sensor network for smart irrigation and environmentalmonitoring 2005

8.Kim Y;Evans R G;Iversen W M;Pierce F J Instrumentation and control for wireless sensor network forautomated irrigation[ASABE Paper No 061105] 2006

引证文献(24条)

1.王家祥.印崧.夏萍 智能化绿地微灌远程控制系统的实现[期刊论文]-科技导报 2011(5)2.孟志军.刘卉 无线数据通信及传感器网络在农业中的应用[期刊论文]-热带农业工程 2010(6)

3.沈明霞.马奉先.孙玉文.周良.林相泽.熊迎军 农田信息采集单多跳共存LEACH算法[期刊论文]-农业机械学报2010(3)

4.李震.Wang Ning.洪添胜.文韬.刘志壮 农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计[期刊论文]-农业工程学报 2010(2)

5.刘卉.汪懋华.孟志军.张漫.李海霞 农田环境中短程无线电传播性能试验[期刊论文]-江苏大学学报（自然科学版） 2010(1)

6.周良.沈明霞.孙玉文.马奉先.林相泽.熊迎军 基于农田环境的无线传感器网络节点部署分析[期刊论文]-浙江农业科学 2010(3)

7.崔洋.郭坤亮.何丽莉.钟丽鸿.胡成全 基于无线传感器网络的传统发酵过程监测系统[期刊论文]-仪器仪表学报2010(7)

8.李进鹏.杨自栋.崔成良.白钰.刘现伟 基于无线网络的精密播种机监测系统设计[期刊论文]-农机化研究2010(10)

9.宋长坡 基于无线传感器网络的葡萄园监测系统设计[期刊论文]-安徽农业科学 2010(13)

10.高峰.卢尚琼.徐青香.姜庆臣 无线传感器网络在设施农业中的应用进展[期刊论文]-浙江林学院学报 2010(5)11.苗连强.胡会萍 基于ZigBee技术的温室环境远程监测系统设计[期刊论文]-仪表技术与传感器 2010(10)

温湿度 测量 采集

12.郭文川.程寒杰.李瑞明.吕健.张海辉 基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统[期刊论文]-农业机械学报2010(7)

13.沈明霞.丛静华.张祥甫.孙玉文.熊迎军.周良 基于ARM和DSP的农田信息实时采集终端设计[期刊论文]-农业机械学报 2010(6)

14.孙玉文.沈明霞.周良.熊迎军.林相泽 农田无线传感器网络的节点部署仿真与实现[期刊论文]-农业工程学报2010(8)

15.汪建.刘建斌.杜世平 多传感器和图像信息融合的养殖监测系统[期刊论文]-农机化研究 2010(11)

16.张佐经.张海辉.翟长远.胡瑾 设施农业环境因子无线监测及预警系统设计[期刊论文]-农机化研究 2010(11)17.孙星罡.张伯伦 基于GSM的温湿度远程监测系统[期刊论文]-科技信息 2010(14)

18.谭伟瀚.王卫星.肖国坤.刘荣章 基于无线传感器网络的茶园信息采集系统设计[期刊论文]-农业网络信息2010(7)

19.刘洪涛.程良伦 具有移动汇聚节点的环境监测系统设计[期刊论文]-计算机工程与应用 2010(19)

20.蔡镔.毕庆生.李福超.王栋.杨英.袁超 基于ZigBee无线传感器网络的农业环境监测系统研究与设计[期刊论文]-江西农业学报 2010(11)

21.牛孝国.朱桂芝.夏宁.万忠 基于无线传感器网络的农业现场数据采集研究进展[期刊论文]-中国农学通报2009(24)

22.张瑞瑞.赵春江.陈立平.徐刚 农田信息采集无线传感器网络节点设计[期刊论文]-农业工程学报 2009(11)23.基于ZigBee的农田秸秆禁烧无线监测系统的设计[期刊论文]-农机化研究 2009(11)

24.蔡义华.刘刚.李莉.刘卉 基于无线传感器网络的农田信息采集节点设计与试验[期刊论文]-农业工程学报2009(4)

本文链接：http://www.77cn.com.cn/Periodical_jlgydxzrkxxb200803023.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wk9h.html