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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持下的果園數(shù)字信息采集與管理系統(tǒng)的開發(fā)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 該系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合GPS定位（用于WSN錨節(jié)點(diǎn)的定位）技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，進(jìn)行果園數(shù)字信息（土壤水分、環(huán)境溫濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向及雨量）采集與管理，為適時(shí)、適地、適量灌溉，施肥與遠(yuǎn)程管理提供技術(shù)支撐。該系統(tǒng)還將根據(jù)采集到的信息進(jìn)行模糊分析得出最佳灌溉水量，控制電磁閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。
- 詳細(xì)介紹：
- 1、 緒論 1.1 市場(chǎng)前景 目前，我國農(nóng)業(yè)正處于由傳統(tǒng)向現(xiàn)代轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，這個(gè)階段必然要求以科學(xué)發(fā)展觀統(tǒng)領(lǐng)農(nóng)業(yè)工作，加快農(nóng)業(yè)增長方式、節(jié)約使用自然資源和生產(chǎn)要素，優(yōu)化農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，提高土地利用率，資源利用率、勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少污染，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。 隨著社會(huì)的發(fā)展，如今農(nóng)民已經(jīng)不為溫飽問題擔(dān)憂，而是朝著更好的物質(zhì)生活前進(jìn)，手中的一分二畝地不再是他們創(chuàng)造“財(cái)富”的工具。目前，農(nóng)業(yè)紛紛轉(zhuǎn)向規(guī)模化生產(chǎn)，基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)也紛紛從示范應(yīng)用階段轉(zhuǎn)向規(guī)模化使用階段，農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)率先批量使用，取得了不小的經(jīng)濟(jì)效益。 近20多年來，浙江省果樹生產(chǎn)發(fā)展迅猛，水果已成為全省農(nóng)業(yè)的三大產(chǎn)業(yè)之一，也是各地發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，形成了柑桔、楊梅、枇杷、梨、葡萄、柿等眾多水果規(guī)?；N植區(qū)域。另一方面，我省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，正處在向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化邁進(jìn)的過程中，已經(jīng)建立或正在大力進(jìn)行高科技的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化園區(qū)建設(shè)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和農(nóng)村市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷完善，農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，迫切需要由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化的信息農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)換。這些都為基于數(shù)字農(nóng)業(yè)思想的果園數(shù)字化管理系統(tǒng)的應(yīng)用提供了方便與緊迫要求，項(xiàng)目的成功應(yīng)用必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。此外，相關(guān)方法和技術(shù)也有望擴(kuò)展應(yīng)用到其它類似的系統(tǒng)中，如水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜禽養(yǎng)殖、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與農(nóng)村面源污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，應(yīng)用前景廣闊。 1.2 系統(tǒng)重要性分析 準(zhǔn)確采集和掌握果園中的各種信息是實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)的前提，果園中的環(huán)境變化，對(duì)果樹的生長影響很大，及時(shí)得到果園中的環(huán)境信息，有利于促進(jìn)果樹的健康生長和提高果品的質(zhì)量。灌溉和施肥量的精細(xì)化也是精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，不同果樹，不同生長時(shí)期，不同季節(jié)對(duì)灌溉和施肥量有嚴(yán)格要求，因此，精確控制灌溉和施肥量對(duì)果樹和果品也有很大影響。環(huán)境因素及灌溉和施肥量對(duì)果樹（果品）的影響詳見附錄十三 該系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合GPS定位（用于WSN錨節(jié)點(diǎn)的定位）技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，進(jìn)行果園數(shù)字信息（土壤水分、環(huán)境溫濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向及雨量）采集與管理，為適時(shí)、適地、適量灌溉，施肥與遠(yuǎn)程管理提供技術(shù)支撐。該系統(tǒng)還將根據(jù)采集到的信息進(jìn)行模糊分析得出最佳灌溉水量，控制電磁閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。該系統(tǒng)針對(duì)嘉興市南湖區(qū)鳳橋鎮(zhèn)水蜜桃種植基地或葡萄園進(jìn)行應(yīng)用示范，促進(jìn)高效生態(tài)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)成本最小化，產(chǎn)量最大化，品質(zhì)最優(yōu)化，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。 2、 系統(tǒng)總體介紹 2.1系統(tǒng)總體框架 系統(tǒng)通過無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、光等多種物理信息的精確采集，并將采集信息進(jìn)行采樣、數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行相應(yīng)的處理，再通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳送回嵌入式觸摸屏進(jìn)行處理來控制灌溉。 圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)用戶和遠(yuǎn)程專家組成。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)由葉節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)（匯聚節(jié)點(diǎn)）組成，它們都部署在果園內(nèi)，每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)都可采集多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并采用自組多跳路由無線方式把數(shù)據(jù)傳到匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)也可以將信息發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)可直接與用戶PC相連，用戶可以根據(jù)所采集的信息與自動(dòng)處理后的結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、決策與控制；同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，遠(yuǎn)程專家也可以通過GPRS或INTERNET公網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)用戶PC相連，幫助用戶進(jìn)行分析與決策，也可以通過匯聚節(jié)點(diǎn)直接訪問現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。 圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下，進(jìn)行全球定位系統(tǒng)（GPS）、組態(tài)軟件與決策支持系統(tǒng)在果園數(shù)字信息采集與管理中的集成研究，以實(shí)現(xiàn)果園數(shù)字化管理的科學(xué)化、便利化。系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。為同時(shí)保證無線傳感網(wǎng)絡(luò)的價(jià)格、節(jié)點(diǎn)體積、功耗以及可擴(kuò)展性，先結(jié)合GPS確定少數(shù)錨節(jié)點(diǎn)的位置，再根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置，從而確定所有節(jié)點(diǎn)的位置信息；GPS采用Trimble公司的具有12通道和內(nèi)置信標(biāo)接收器和衛(wèi)星差分接受機(jī)的AgGPS132。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集到的信息經(jīng)轉(zhuǎn)換后直接接入組態(tài)軟件和DSS（決策支持系統(tǒng)），并輸出輔助決策信息（以灌溉量為主），實(shí)現(xiàn)精細(xì)灌溉。 圖2 系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)圖 2.2主要研究與開發(fā)內(nèi)容 （1）農(nóng)業(yè)數(shù)字信息采集與管理技術(shù)集成研究及嵌入式軟件開發(fā) 1）面向農(nóng)業(yè)（包括大田與溫室栽培）數(shù)字信息采集與管理應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究：以低成本、低功耗與良好的環(huán)境適應(yīng)性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)、路由協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位與數(shù)據(jù)融合技術(shù)； 2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）與全球定位系統(tǒng)（GPS）、專家系統(tǒng)（ES）在農(nóng)業(yè)數(shù)字信息采集與管理中的融合技術(shù)研究，并開發(fā)相應(yīng)軟件； 3）面向農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）與GPRS公網(wǎng)融合技術(shù)研究，并開發(fā)相應(yīng)程序； 4）農(nóng)業(yè)數(shù)字信息采集、管理、決策與控制（以灌溉為主）融合技術(shù)研究，并開發(fā)相應(yīng)算法。 （2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理典型應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā) 1）農(nóng)業(yè)小氣候環(huán)境信息無線采集與分析系統(tǒng)開發(fā)； 2）基于遠(yuǎn)程無線控制與智能決策的灌溉系統(tǒng)開發(fā)； （3）應(yīng)用示范與產(chǎn)業(yè)化推廣 1）成果應(yīng)用示范基地：南湖區(qū)鳳橋鎮(zhèn)冠蜜梨種植基地、水蜜桃種植基地與葡萄園； 2）成果產(chǎn)業(yè)化：在以上基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，在更多應(yīng)用場(chǎng)合（如水產(chǎn)養(yǎng)殖）、更大地域范圍內(nèi)（市外乃至省外）進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。 2.3創(chuàng)新與特色 （1）面向農(nóng)業(yè)數(shù)字信息采集與管理應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 面向農(nóng)業(yè)（包括大田與溫室栽培）數(shù)字信息采集與管理應(yīng)用，針對(duì)農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)面積大、作物多樣、地勢(shì)復(fù)雜、要求低能耗的特點(diǎn)，研究低成本、低功耗、自組織、高信息質(zhì)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及系統(tǒng)架構(gòu)，為農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理提供精細(xì)、靈活并且低成本的解決方案。 （2）低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù) 結(jié)合GPS定位技術(shù)，定位少錨點(diǎn)作為簇節(jié)點(diǎn)，根據(jù)RSSI測(cè)距特性，計(jì)算其他葉節(jié)點(diǎn)的新型低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)。 （3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS公網(wǎng)融合技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字信息的低成本無線采集，匯總后的數(shù)據(jù)還可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)異地管理、分析與決策。 （4）基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)噴滴灌智能控制技術(shù)及系統(tǒng) 可通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集農(nóng)業(yè)土壤溫濕度等信息，并根據(jù)所采集的信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行噴滴灌電磁閥的開閉控制；也可以結(jié)合果樹種類、生長階段與種植環(huán)境等進(jìn)行自動(dòng)分析，并自動(dòng)控制噴滴灌的開閉及灌溉時(shí)間。 （5）果園灌溉量模糊決策系統(tǒng) 果園的灌溉量由果園土壤水分含量和果園蒸散量共同決定，土壤水分含量可直接通過FDS100水分傳感器獲得；而農(nóng)田蒸散量通常通過計(jì)算與測(cè)量相結(jié)合的方法獲得，通過模糊技術(shù)，對(duì)果園灌溉量進(jìn)行決策，取得最佳灌溉時(shí)間。 2.4 項(xiàng)目成果 技術(shù)成果 1）面向農(nóng)業(yè)數(shù)字信息采集與管理應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)； 2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與全球定位系統(tǒng)（GPS）在農(nóng)業(yè)數(shù)字信息采集與管理中的融合技術(shù)； 3）面向農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）與GPRS公網(wǎng)融合技術(shù)； 4）農(nóng)業(yè)數(shù)字信息采集、管理與決策控制（以灌溉為主）融合技術(shù)。 產(chǎn)品化成果 1）農(nóng)業(yè)小氣候環(huán)境信息無線采集與分析系統(tǒng)； 2）基于遠(yuǎn)程無線控制與智能決策的灌溉系統(tǒng)； 專利成果 專利1：一種農(nóng)作物種子催芽環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (已達(dá)公告階段) 專利2：面向農(nóng)業(yè)數(shù)字信息采集的層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) （已受理） 專利3：一種基于少量錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法（二稿修改中） 專利4：基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的噴滴灌控制系統(tǒng)（修改中） 2.5 主要技術(shù)指標(biāo) （1）農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理技術(shù)集成 核心技術(shù)：低成本、低功耗、自組織、高信息質(zhì)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)； 水分與養(yǎng)分定位：以GPS技術(shù)為輔（用于網(wǎng)絡(luò)中少量錨節(jié)點(diǎn)定位），無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本定位技術(shù)為主； 可視化表達(dá)與管理：利用組態(tài)軟件與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)； 遠(yuǎn)程通信：低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS公網(wǎng)融合； 決策技術(shù)：建立農(nóng)業(yè)管理專家系統(tǒng)（ES），進(jìn)行農(nóng)業(yè)小氣候環(huán)境分析、農(nóng)業(yè)灌溉量決策分析； 控制技術(shù)：實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持下的農(nóng)業(yè)噴滴灌遠(yuǎn)程控制、也可根據(jù)土壤濕度信息自動(dòng)控制。 （2）面向農(nóng)業(yè)數(shù)字信息采集與管理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括三種類型的節(jié)點(diǎn)：智能測(cè)控終端（葉節(jié)點(diǎn)）、路由節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）。指標(biāo)如下： 1）總體性能：通過多跳路由，現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可達(dá)10km；內(nèi)嵌無線通信協(xié)議；具有網(wǎng)絡(luò)自組織、自診斷功能；節(jié)點(diǎn)防水防潮放風(fēng)，可用于大田布置。 2）智能測(cè)控終端：低功耗，可采用干電池供電，且在一般情況下可使用半年以上；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離500m以上；可就近自動(dòng)選擇路由；可連接至少4路開關(guān)量輸出、4路A/D采集；既可連接通用土壤與環(huán)境測(cè)試傳感器，也可連接標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出的土壤養(yǎng)分測(cè)定儀與果樹生長信息檢測(cè)儀；可接繼電器，控制灌溉電磁閥。 3）路由節(jié)點(diǎn)：可選擇太陽能/市電供電；單點(diǎn)傳輸距離1000米以上；可連接4路開關(guān)量輸入/輸出或A/D采集；既可連接通用土壤與環(huán)境測(cè)試傳感器，也可連接標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出的土壤養(yǎng)分測(cè)定儀與果樹生長信息檢測(cè)儀。 4）網(wǎng)關(guān)：可選擇太陽能/市電供電；配置管理網(wǎng)絡(luò)；可與LAN/WAN信息交互；可集成GPRS/GSM遠(yuǎn)程傳輸功能。 （3）基于遠(yuǎn)程無線控制與智能決策的灌溉系統(tǒng) 可通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集農(nóng)業(yè)土壤溫濕度信息，并根據(jù)所采集的信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行噴滴灌電磁閥的開閉控制；也可以結(jié)合果樹種類、生長階段與種植環(huán)境等進(jìn)行自動(dòng)分析，并自動(dòng)控制噴滴灌的開閉及灌溉時(shí)間。 （4）農(nóng)業(yè)小氣候環(huán)境信息無線采集與分析系統(tǒng) 可采集的參數(shù)與指標(biāo)見表1所示： 表1 基本的通用測(cè)量參數(shù)及指標(biāo) 參數(shù) 測(cè)量范圍 測(cè)量精度 環(huán)境濕度 0～100% RH ±5% 環(huán)境溫度 -50℃～60℃ ±0.5℃ 光照 0～20000Lux ±5% 雨量 0～4mm/min ±4% 風(fēng)速 0-60m/s, 分12等級(jí) ±0.1m/s 風(fēng)向 0～360°, 分16等級(jí) ±5° （5）數(shù)據(jù)管理功能 開發(fā)圖形化信息顯示平臺(tái)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、圖形化顯示、歷史記錄等多個(gè)功能模塊，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與異地管理。 3、 數(shù)據(jù)采集與傳輸 3.1 小型氣象站設(shè)計(jì) 小型氣象站可以滿足新型果園的對(duì)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)天氣信息的需要，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可以幫助果園技術(shù)人員對(duì)果樹健康和果園操作的氣候條件作出重要決策，該系統(tǒng)的小型氣象站可以采集風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、光照及果園中空氣的溫濕度，為灌溉量的決策提供依據(jù)。 3.1.1通用傳感器的選擇 溫度傳感器DS18B20是一款一線式數(shù)字溫度傳感器，溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，完全滿足果園測(cè)溫要求。 圖3 DS18B20一線式溫度傳感器 風(fēng)速傳感器QS-FS采用先進(jìn)的電路模塊技術(shù)開發(fā)變送器，操作簡單，使用方便，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境風(fēng)速的測(cè)量，輸出標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。已廣泛應(yīng)用于溫室、環(huán)境保護(hù)、氣象站、船舶、 碼頭、養(yǎng)殖等環(huán)境的風(fēng)速測(cè)量。 圖4 QS-FS風(fēng)速傳感器 風(fēng)向傳感器QS-FX傳感器可測(cè)量室外環(huán)境中的風(fēng)向，測(cè)量分東、西、南、北、東南、西南、西北、東北等十六個(gè)方向，具有很高的性價(jià)比，已廣泛用于環(huán)保、氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、建筑、科研及教學(xué)等領(lǐng)域。 圖5 QS-FX風(fēng)向傳感器 HLAS-JS翻斗式雨量傳感器是一種水文、氣象儀器，用以測(cè)量自然界降雨量，同時(shí)將降雨量轉(zhuǎn)換為以開關(guān)量形式表示的數(shù)字信息量輸出，以滿足信息傳輸、處理、記錄和顯示等的需要。 圖6 HLAS-JS翻斗式雨量傳感器 室外溫濕度變送器CG-01采用一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，芯片全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出，采用專利的CMOSens技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。 圖7 CG-01室外溫濕度變送器 3.1.2 溫濕度與光照一體式傳感器的設(shè)計(jì) BYT20YSCGJ光照度傳感器變送器是以（紫藍(lán)硅光電池）為光照度傳感器對(duì)果園的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢查，它采用先進(jìn)的電路模塊技術(shù)開發(fā)變送器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光照度的測(cè)量，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓及電流信號(hào)，體積小、安裝簡單、線性度好、傳輸距離長、抗干擾能力強(qiáng)。 DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。 如圖8所示，溫濕度與光照傳感器為了與數(shù)據(jù)采集模塊相連，BYT20YSCGJ光照度傳感器變送器需要通過模擬信號(hào)放大，采樣保持，A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)輸入到AT89S52，再通過D/A轉(zhuǎn)換，輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)；DHT21可以直接將數(shù)字輸入到AT89S52，再通過D/A轉(zhuǎn)換，輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)。 圖8 溫濕度與光照一體式傳感器結(jié)構(gòu)圖 3.2水分傳感器的選擇與布置 水分傳感器FDS100是基于介電理論并運(yùn)用頻域測(cè)量技術(shù)，能夠精確測(cè)量土壤和其它多孔介質(zhì)的體積含水量。可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)，從而可以直接與采集模塊相連。 圖9 FDS100水分傳感器 水分傳感器的布置采用四層布置結(jié)構(gòu)，如圖10所示，在同一地表的地下四個(gè)不同的深度布置4個(gè)水分傳感器，可以全方位的檢測(cè)果園土壤的水分含量。 圖10 水分傳感器四層布置結(jié)構(gòu)圖 3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 3.3.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的核心。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一種微型的具有信息處理與通信能力的嵌入式系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，各節(jié)點(diǎn)采用共同的核心模塊，不同節(jié)點(diǎn)配以不同的擴(kuò)展模塊。如圖11所示，節(jié)點(diǎn)以MC13213無線微處理模塊為核心，擴(kuò)展了無線傳輸單元（集成功率增強(qiáng)功能）、串行通信接口、傳感器接口、數(shù)字輸出接口與供電接口，從而構(gòu)成了核心板。其中，MC13213無線微處理模塊裁剪了通用RF模塊中用于擴(kuò)展和測(cè)試的部分電路，工作在2.4GHz頻段，因此可以簡單的實(shí)現(xiàn)無線系統(tǒng)方案。 核心板配以各種傳感器構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)，或配以控制板構(gòu)成控制器節(jié)點(diǎn)。傳感器選用以上通用傳感器和溫濕度與光照一體式傳感器，將采集的數(shù)據(jù)通過電流信號(hào)傳送至核心板的多路傳感器信號(hào)調(diào)理單元，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過無線傳輸單元發(fā)送或自己通過串行口傳輸給計(jì)算機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，控制器節(jié)點(diǎn)也可以配以傳感器，兼具傳感器節(jié)點(diǎn)的功能；在特殊情況下，考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能需要，若傳感器節(jié)點(diǎn)離基站較遠(yuǎn)，可以由控制器節(jié)點(diǎn)充當(dāng)路由，從而相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)只與就近的控制器節(jié)點(diǎn)通信，通過控制器節(jié)點(diǎn)（路由）實(shí)現(xiàn)與基站的信息交互。 圖11 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖 電源供應(yīng)模塊分為市電、電池與太陽能三種，這取決于節(jié)點(diǎn)類型、節(jié)點(diǎn)需要的發(fā)射功率與能耗。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與基站相連，發(fā)射功率大，故采用市電供電；控制器節(jié)點(diǎn)與灌溉控制板相連以驅(qū)動(dòng)電控閥門進(jìn)行灌溉控制，由于灌溉控制板與電控閥門多采用市電供電，因此相應(yīng)的控制器節(jié)點(diǎn)可以采用市電供電；核心板與灌溉控制板之間采用光耦實(shí)現(xiàn)隔離，以避免強(qiáng)電干擾；氣象站傳感器節(jié)點(diǎn)采用太陽能供電；除上所述，其它節(jié)點(diǎn)采用電池供電即可。 3.3.2 無線通信協(xié)議與程序設(shè)計(jì) 網(wǎng)狀網(wǎng)具有無單點(diǎn)故障的健壯性和穩(wěn)定性，它的核心指導(dǎo)思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)。在無線Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)維持到最鄰近節(jié)的最優(yōu)路徑。當(dāng)無線環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，比如加入新節(jié)點(diǎn)或者發(fā)生擁塞，網(wǎng)絡(luò)將會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行自我調(diào)節(jié)將性能維持在最佳性能，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性。但是網(wǎng)狀網(wǎng)的通信協(xié)議比較復(fù)雜，大面積網(wǎng)絡(luò)的布置成本高，而且重新組網(wǎng)困難。 星型網(wǎng)分為一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)葉節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行簡單的直接通信，因此網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議簡單，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展方便，單個(gè)葉節(jié)點(diǎn)故障葉不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，故障檢測(cè)方法簡單。但是中心節(jié)點(diǎn)的可靠性和冗余度要求很好，中心節(jié)點(diǎn)一旦故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將隨之癱瘓。 系統(tǒng)采用星型網(wǎng)和網(wǎng)狀物結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖12為總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，路由節(jié)點(diǎn)（簇首節(jié)點(diǎn)）是現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)（葉節(jié)點(diǎn)）和中心PC的橋梁，采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可以提高通信的可靠性和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性；現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性，提高了現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)加入和退出的靈活性。 圖12 總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 圖13為網(wǎng)狀網(wǎng)和星型網(wǎng)結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸模型 ，在默認(rèn)狀況下，路由節(jié)點(diǎn)站1接收到其所在星型網(wǎng)中葉節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，通過站2路由，將數(shù)據(jù)發(fā)送至站4，最后上傳至上位機(jī)，而當(dāng)站2出現(xiàn)故障，不能順利接受到站1發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，站1將自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至站3，通過站3路由，發(fā)送至站4，最后上傳至上位機(jī)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴? 圖13 網(wǎng)狀網(wǎng)與星型網(wǎng)結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸模型 該系統(tǒng)無線傳輸模塊采用MC13213，它定義了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：Stream模式和Packet模式。在Stream模式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是逐字(word-by-word)處理的。而在Packet模式中，發(fā)送時(shí)，發(fā)送方先將待發(fā)送數(shù)據(jù)緩存在Modem的發(fā)送緩沖區(qū)(TX RAM)中，然后再發(fā)送；接收時(shí)，接收方先在接收緩沖區(qū)(RX RAM)中緩存收到的整個(gè)數(shù)據(jù)包，然后再通知MCU來讀取。 為保證MCU可以正常工作，必須先對(duì)芯片初始化，從而對(duì)MCU的硬件模塊進(jìn)行正確配置，初始化完成后會(huì)涉及到SPI循環(huán)事務(wù)的實(shí)現(xiàn)，下面以Packet模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的完整過程來描述對(duì)Modem RX/TX RAM的SPI循環(huán)讀寫操作，如圖14所示。 圖14 讀寫無線模塊RX/TX RAM流程圖 3.4無線溫濕度傳感器設(shè)計(jì) 如圖15所示，無線溫濕度傳感器硬件包括無線傳輸模塊NRF24L01、主控芯片（MCU）AT89S52、傳感器模塊DHT21和電源供應(yīng)模塊，傳感器模塊DHT21是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字輸出傳感器，環(huán)境溫濕度通過DHT21轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸給AT89S52，AT89S52通過SPI總線與無線傳輸模塊NRF24L01通信，控制無線傳輸模塊發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。 圖15 無線溫濕度傳感器結(jié)構(gòu)圖 傳感器模塊（DHT21）采集程序見附錄十四： 4、 數(shù)據(jù)處理與決策控制 4.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 4.1.1 嵌入版 mcgsTpc嵌入式一體化觸摸屏，如圖16所示，作為整個(gè)無線傳感器系統(tǒng)中心（上位機(jī)），所有傳感器采集得到的數(shù)據(jù)都觸摸屏上顯示，還可以在觸摸屏上控制電磁閥等執(zhí)器件的開關(guān)。 圖16 mcgsTpc嵌入式一體化觸摸屏 MCGS嵌入式組態(tài)軟件是具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。通過與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場(chǎng)采集站、人機(jī)界面等專用設(shè)備。 北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司的TPC7062K觸摸屏配合MCGS嵌入式組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)一個(gè)人機(jī)交互界面，如圖17、18所示。根據(jù)傳感器輸入的信息，作物種類信息，作物種植土壤類型，進(jìn)行選擇、查詢，數(shù)據(jù)的計(jì)算、電磁閥開關(guān)信號(hào)的輸出，報(bào)警燈的顯示，數(shù)據(jù)曲線的顯示，歷史數(shù)據(jù)的查詢、計(jì)算、報(bào)表的打印等。各參數(shù)超于預(yù)設(shè)值后，報(bào)警燈變紅，并打開或關(guān)閉某電磁閥。 圖17 上位機(jī)界面1 圖18 上位機(jī)界面2 圖19為基于實(shí)測(cè)土壤水分量灌溉控制的上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖，灌溉控制的決策依據(jù)是實(shí)測(cè)土壤中水分含量，系統(tǒng)可以自動(dòng)控制灌溉量。 圖19 基于實(shí)測(cè)土壤水分量的灌溉控制 圖20為基于離線模糊決策灌溉控制的上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖，果園技術(shù)人員應(yīng)用上位機(jī)顯示的果園數(shù)字信息，通過基于氣象信息與土壤水分的果園灌溉里模糊決策系統(tǒng)(如圖21所示)計(jì)算果園灌溉時(shí)間，并將計(jì)算所得灌溉時(shí)間輸入至上位機(jī)，從而控制系統(tǒng)灌溉時(shí)間。具體算法見4.3灌溉量模糊決策與控制。 圖20 基于離線模糊決策的灌溉控制 圖21 基于氣象信息與土壤水分的果園灌溉里模糊決策系統(tǒng) 4.1.2 PC版 PC版上位機(jī)軟件與嵌入版基本相同，但PC版軟件的運(yùn)行平臺(tái)是普通的PC機(jī)，軟件結(jié)構(gòu)相同，如圖19、20所示。 4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位方位結(jié)合了GPS定位技術(shù)，用4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)（GPS定位），根據(jù)RSSI測(cè)距特性，被測(cè)節(jié)點(diǎn)可根據(jù)到任意三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離得到自身在此坐標(biāo)系中的位置，從而獲得4組數(shù)據(jù)，利用求加權(quán)質(zhì)心的方法，得到被測(cè)節(jié)點(diǎn)最終的位置。 定位步驟如下： 1）在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)上還載有GPS信號(hào)接收裝置； 2）錨節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送信標(biāo)信息，被測(cè)節(jié)點(diǎn)在接收到各個(gè)信標(biāo)信息后，進(jìn)行平滑濾波，并將RSSI值通過無線信號(hào)傳播路徑損耗模型轉(zhuǎn)換為距離值。 3）將距離值從小到大排序?yàn)?, , , ，對(duì)4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位；通過A，B，C點(diǎn)得到E點(diǎn)的坐標(biāo)估計(jì) （ ），通過A、C、D得到E點(diǎn)的坐標(biāo)估計(jì) （ ），通過A、B、D得到E點(diǎn)的坐標(biāo)估計(jì) （ ）, 通過B、C、D得到E點(diǎn)的坐標(biāo)估計(jì) （ ）；參與每次定位3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)距離之和求倒數(shù)，得到加權(quán)因子，通過加權(quán)因子計(jì)算出被測(cè)節(jié)點(diǎn)E（ ）的位置，如圖22所示。 圖22 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法的示意圖 具體節(jié)點(diǎn)定位方法見附錄五：專利3 4.3灌溉量模糊決策與控制 作物需水量的大小與土壤水分含量、環(huán)境氣象條件（光照、溫度、濕度和風(fēng)速等）、作物類型及其生長發(fā)育階段等有關(guān)。農(nóng)田蒸散量是描述作物需水量大小的另一關(guān)鍵因子，其綜合反映了環(huán)境氣象條件與作物類型等因素。因此，本系統(tǒng)選擇土壤水分含量與農(nóng)田蒸散量作為模糊控制器輸入量。 土壤水分含量可直接通過FDS100水分傳感器獲得；而農(nóng)田蒸散量通常通過計(jì)算與測(cè)量相結(jié)合的方法獲得。在非充分灌溉條件下的農(nóng)田蒸散量公式可表示為：? 其中， ——水份脅迫條件下作物的實(shí)際農(nóng)田蒸散量； ——參考農(nóng)田蒸散量； ——土壤水份修正系數(shù)； ——作物系數(shù)。 如圖23所示，參考農(nóng)田蒸散量 的計(jì)算是其中的關(guān)鍵，其計(jì)算方法眾多，應(yīng)用最多的是FAO56 Penman-Monteith方法。研究表明，無論干旱地區(qū)還是濕潤地區(qū)，F(xiàn)AO-56 Penman-Monteith (FAO56-PM)法的計(jì)算精度都是最高的。該方法以能量平衡和空氣動(dòng)力學(xué)原理為基礎(chǔ)，具有較完備的理論依據(jù)和較高的計(jì)算精度，因此被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)化方法，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。該方法需要光照、風(fēng)速、空氣溫度、空氣濕度等氣象信息。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)AO56 Penman-Monteith公式所需的氣象信息資料通過布置于作物種植區(qū)附近的微型氣象站獲得。 圖23 模糊控制機(jī)構(gòu)原理圖 如圖24所示，模糊控制器的輸入為土壤水分含量 與農(nóng)田蒸散量 ，輸出為灌溉時(shí)間 。為了保證適當(dāng)精度，三變量都定義了5個(gè)語言變量：很?。╒L）、?。↙）、中（M）、大（H）、很大（VH）。在選擇隸屬函數(shù)（MF）時(shí)，考慮到三角形MF的形式簡單，計(jì)算效率高，特別適用于要求實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)合，故本系統(tǒng)選擇三角形MF 。 . 圖24 農(nóng)田蒸散量隸屬函數(shù) 灌溉量模糊決策步驟： 1）模糊化：將輸入變量的精確值轉(zhuǎn)化為適當(dāng)論域上的模糊語言變量值，即確定各輸入與輸出量的變化范圍及其對(duì)模糊語言變量的論域。如農(nóng)田蒸散量的基本變化范圍為[0 g/h，+1 g/h]，選定其論域X={0，0.23，0.46，0.69，0.92}。 2）模糊推理：以知識(shí)庫為基礎(chǔ)，通過一定的推理機(jī)制，由模糊輸入值得到模糊輸出值的過程。推理規(guī)則主根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，得到以“IF-THEN”語句表達(dá)的規(guī)則，如根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)土壤水分含量低于下限值時(shí)，說明土壤極其缺水，此時(shí)不管農(nóng)田蒸散量的高低，作物都需要大量灌水，寫成模糊推理規(guī)則即“if WP is VL then WT is VH”。模糊推理規(guī)則庫如表2所示，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)不同情況對(duì)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，逐漸形成最佳灌溉方案。 表2 作物需水量推理規(guī)則表 農(nóng)田蒸散量 土壤水勢(shì) VL L M H VH VL VH H M L VL L VH H M L VL M VH H M L VL H VH H M L VL VH VH VH H M L 3）解模糊：根據(jù)模糊推理所得結(jié)果乘以比例因子，得到系統(tǒng)所需控制量的精確輸出值。本系統(tǒng)采用質(zhì)量中心法去模糊化，得到噴滴灌頭控制閥門的打開時(shí)間。 5、 結(jié)論 1）提出了將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合用于精細(xì)灌溉的方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采集并分析作物種植區(qū)域土壤水勢(shì)與農(nóng)田蒸散量可精確獲取作物需水量，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、定位、實(shí)時(shí)與適量灌溉。系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，特別適用于中小型灌溉區(qū)域。 2）進(jìn)行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)，使其可連接土壤水分、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度與光照四種傳感器,充分掌握土壤水分、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度與光照情況，實(shí)現(xiàn)適時(shí)、適地、適量灌溉，驗(yàn)證了無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于遠(yuǎn)程灌溉控制的可行性，大幅度提高了農(nóng)業(yè)的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益。 3）設(shè)計(jì)了用于精準(zhǔn)確定作物需水量的信息采集方案，并建立了基于FAO56 Penman-Monteith公式與模糊數(shù)學(xué)的多傳感數(shù)據(jù)融合方法，該方法綜合考慮了土壤水勢(shì)與農(nóng)田蒸散量相關(guān)的環(huán)境溫度、濕度、太陽輻射與風(fēng)速等因素的影響，提高了決策精度。 4）設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要求各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)能正確接收，從而節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率與能耗較高，今后宜進(jìn)一步研究新型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與組網(wǎng)策略，降低節(jié)點(diǎn)能耗，以適應(yīng)大面積、大容量灌溉系統(tǒng)。 5）選用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干簇首節(jié)點(diǎn)作為錨節(jié)點(diǎn)（用GPS定位），通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信機(jī)制進(jìn)行其它節(jié)點(diǎn)的定位，開發(fā)了相應(yīng)的定位算法。 6、 展望 1）目前針對(duì)專門農(nóng)業(yè)環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略、數(shù)據(jù)融合方法等方面還存在很大難點(diǎn)，有待進(jìn)一步研究； 2）信息管理系統(tǒng)與GIS地理信息系統(tǒng)、專家系統(tǒng)的融合還需要進(jìn)一步研究； 3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)間傳輸距離，尤其面向大規(guī)模農(nóng)田應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)布置還需要進(jìn)一步研究與優(yōu)化。
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設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本項(xiàng)目旨在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合GPS定位（用于WSN錨節(jié)點(diǎn)的定位）技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，進(jìn)行果園數(shù)字信息采集與管理，為適時(shí)、適地、適量灌溉，施肥與遠(yuǎn)程管理提供技術(shù)支撐。 具體內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)： 1、進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)，使其可連接土壤水分、環(huán)境溫濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向及雨量等傳感器； 2、開發(fā)星型網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)混合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的通信程序，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采集系統(tǒng)； 3、選用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干簇首節(jié)點(diǎn)作為錨節(jié)點(diǎn)（用GPS定位），通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信機(jī)制進(jìn)行其它節(jié)點(diǎn)的定位，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的定位算法； 4、選用組態(tài)軟件，開發(fā)了果園數(shù)字信息管理軟件，實(shí)現(xiàn)了果園采集點(diǎn)位置信息、土壤與環(huán)境信息的融合管理； 5、實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS的融合； 6、根據(jù)所監(jiān)測(cè)的光照、空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、土壤水分信息，計(jì)算了農(nóng)田蒸散量，并運(yùn)用模糊計(jì)算方法，計(jì)算出了灌溉量，為遠(yuǎn)程模糊灌溉控制的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。 技術(shù)關(guān)鍵： 1、果園環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件與通信程序設(shè)計(jì)，做到防水、防風(fēng)、用電池或太陽能供電； 2、星型網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)混合的通信程序設(shè)計(jì)； 3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS的融合； 4、基于嵌入式組態(tài)軟件開發(fā)嵌入式一體化觸摸屏； 5、根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)少量錨節(jié)點(diǎn)的位置，對(duì)其它節(jié)點(diǎn)自身位置進(jìn)行定位的方法研究與程序開發(fā)； 6、基于組態(tài)軟件的上位機(jī)軟件開發(fā)； 7、模糊灌溉控制的實(shí)現(xiàn)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本項(xiàng)目即針對(duì)以上問題，結(jié)合GPS定位（用于WSN錨節(jié)點(diǎn)的定位）技術(shù)與計(jì)算軟件技術(shù)，進(jìn)行果園數(shù)字信息（土壤水分，環(huán)境溫度、濕度與光照）采集與管理，為適時(shí)、適地、適量灌溉，遠(yuǎn)程管理等提供技術(shù)支撐。相關(guān)軟硬件成果將針對(duì)嘉興市南湖區(qū)楓橋鎮(zhèn)水蜜桃種植基地或葡萄園進(jìn)行應(yīng)用示范，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段，已在種植基地實(shí)地示范應(yīng)用。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 模型、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 該系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)用戶、遠(yuǎn)程專家組成。傳感器網(wǎng)絡(luò)由葉節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)組成，它們都部署在果園內(nèi)，每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)都可采集多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并采用自組多跳路由無線方式把數(shù)據(jù)傳到匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)也可以將信息發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)可直接與用戶PC相連，用戶可以根據(jù)所采集的信息與自動(dòng)處理后的結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、決策與控制；同時(shí)，遠(yuǎn)程專家也可以通過GPRS或INTERNET公網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)用戶PC相連，幫助用戶進(jìn)行分析與決策，也可以通過匯聚節(jié)點(diǎn)直接訪問現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。 該系統(tǒng)在星型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新了星型和網(wǎng)狀混合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，錨節(jié)點(diǎn)間采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高通信的可靠性和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性，在各簇間節(jié)點(diǎn)采用星型結(jié)構(gòu)，降低節(jié)點(diǎn)間協(xié)議的復(fù)雜性，提高了節(jié)點(diǎn)加入和退出的靈活性。系統(tǒng)還結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，開發(fā)果園數(shù)字信息管理軟件，實(shí)現(xiàn)果園采集點(diǎn)位置信息、土壤與環(huán)境信息的融合管理。系統(tǒng)還采用了太陽能供電技術(shù)，解決了野外無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電難的問題。
同類課題研究水平概述
- 1、國外研究與應(yīng)用情況 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是2000年以來興起的新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有監(jiān)測(cè)精度高、成本低、容錯(cuò)性高、覆蓋范圍大、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。其集傳感器技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式處理技術(shù)于一體，因其廣闊的應(yīng)用前景而成為當(dāng)今世界上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。其在2003年MIT《技術(shù)評(píng)論》中被列為改變世界的10大新技術(shù)之一，被美國《商業(yè)周刊》預(yù)測(cè)為未來四大新技術(shù)之一。其中，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)是其中一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月，2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“ZigBee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。自此之后，歐美發(fā)達(dá)國家在對(duì)該技術(shù)不斷研發(fā)的基礎(chǔ)上在多領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。 2、國內(nèi)研究及應(yīng)用情況 國內(nèi)在無線傳感器領(lǐng)域的研究基本與國外同步，已經(jīng)取得了一些初步成果，但針對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相關(guān)研究的成果不多見。一些成果是把無線傳輸技術(shù)（GSM/GPRS、藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)、數(shù)傳模塊等）簡單地用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用環(huán)境，不是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，沒有體現(xiàn)出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，但這些研究為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。
