基于WSN的烟田监测关键技术

摘要 通过综合利用无线通信技术、嵌入式系统技术、计算机组网技术、节能技术，建立了基于WSN（无线传感器网络）的烟田监测管理系统，对烟田环境、烟叶生长、病虫害、烟叶质量等多种技术指标实时监测，实现了烟叶大田生产、烟田环境控制、水肥一体化控制、病虫害防治的精细化管理。

关键词 烟田；监测网络；WSN；关键技术

中图分类号 TP212.9 文献标识码 B 文章编号 1007-5739（2014）03-0339-01

WSN全称为无线传感器网络技术，在军事领域、环境监测、智能医疗、智能家居、工业控制、农业气象等领域已广泛应用，但是目前国内外尚未有将WSN应用于烟叶生产管理的报道[1-2]。许昌市是我国典型浓香型烟叶的主产区，近年来通过大力加强烟叶生产基础设施建设，烟叶生产水平和烟叶质量特色不断提高，但是在烟叶生产信息化管理方面，一直是一个薄弱环节。为了加快建设现代烟草农业，从2010年起，许昌市烟草公司以基地单元为平台，综合利用无线通信技术、嵌入式系统技术、计算机组网技术、无线传感器技术，研究开发了基于WSN的烟田监测管理网络系统，通过实时地对烟田环境、烟叶生长、病虫害、烟叶质量等多种技术指标实时监测，实现了烟叶大田生产、烟田环境控制、水肥一体化控制、病虫害防治的精细化管理。

1 基于WSN的烟田监测的建立依据

1.1 烟田监测通信体制和机制研究

主要研究烟田监测通信的实现方式和网络结构，为无线传感器网络的部署和数据输出提供接口，使其与现有的有线网络并轨。烟田监测WSN的体系由1个完整的WSN由大量具有数据采集功能的传感器网络节点（以下简称Node）、1个或多个网关节点（以下简称SINK）及监控中心组成（图1）。Node通过其传感部件采集数据后，用其无线通信部件将处理后的数据经过一跳或多跳传送至SINK节点。SINK节点作为WSN内部网络与监控中心的接口，在对汇聚到接口的数据作简单必要的处理后，利用其与外部网络的接口将数据传输至监控中心。监控中心利用其丰富的软硬件资源完成对数据分析和处理，并可以向SINK节点发出控制指令。这里的SINK节点可以看作是中继节点[3-4]。

1.2 烟田监测技术

烟田环境监测是运用物理、化学、生物等手段获取烟田环境质量信息，监测对象是烟田土壤水分、盐分及小气候监测等。

1.3 烟田监测无线传感器网络部署和组网技术

传感网络中节点传来的数据是Zigbee帧格式，网关接收到数据后首先将其解析为原始数据，此时网关可以根据需要对原始数据进行处理，然后根据网络协议格式将数据重新打包，通过以太网或CDMA2000网络传送至上位机或移动终端，实现数据传输，最终达到监测的目的。

1.4 优质烟的适宜生长环境质量标准研究

根据试验地基础数据，包括经纬度、海拔高度、土壤类型、土壤养分状况、土壤容重、田间持水量、灌溉水质，以及种植品种、施肥时间、肥量种类、施肥数量、灌溉日期、灌水定额、降水量等参数，建立优质烟的适宜生长环境质量标准。

2 烟田监测网络的内容

2.1 组网模式

通过对许昌烟区历史现状的分析与研究，借鉴大农业发展经验，依托“中华”品牌王洛烟叶基地单元，建立了烟田监测管理系统的无线传感器研发、组网方式。

2.2 部署机制

综合利用无线通信技术、嵌入式系统技术、计算机组网技术、无线传感器技术，论证和设计了大规模烟叶种植田间监测用无线传感器网络方案，构建了一定规模的烟田无线传感器网络，研制出适合于烟田监测的无线传感器网络系统，实现了烟田环境及烟叶生长实时、实地监测。

2.3 技术支撑

研究开发多种无线传感器并实现组网，实时探测烟田间温湿度、土质变化、烟叶生长状况、病虫害密度等相关技术指标，通过无线传感器网络，经数据融合后实时传输到系统管理中心，经过系统分析，整理出所需的各种生产技术信息，并自动将预警信息和工作重点、工作标准以语音或短信形式，快速地传导给烟技员及烟农，实现烟田精细化管理。

2.4 技术突破

一是取得了烟田无线传感器网络最大节点数不小于1万个、最大覆盖范围不小于10 km的突破。二是取得了无线传感器节点最大传输距离不小于4 km、最高通信速率不低于96 kbps、工作时长不低于120 h、可测量物理参数类型不少于5种的突破。三是实现了中继节点最大传输距离不小于500 m、最高通信速率不低于192 kbps的突破。四是设计出了适合于烟草品质监测的传感器，可以根据烟叶颜色、光谱等特性进行成熟度和品质的远程实时监测，实现了烟叶成熟度自动监测预警的突破。五是构建了烟田监测通信的网络结构，为无线传感器网络的部署和数据输出提供接口；并与现有的有线网络并轨，实现了烟田实地传感器数据部署和采样的突破。

3 参考文献

[1] 崔学义.WSN的由来以及在国外的研究和发展[J].中国电子商情：RFID技术与应用，2009（5）：17.

[2] 曹亚君，陈树宁.基于WSN的煤矿井下监控网络平台关键技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2009.

[3] 张兴伟.基于WSN的温室环境监测系统研究与设计[D].郑州：郑州大学，2013.

[4] 冯友兵，张荣标，沈敏.面向精确灌溉的无线传感器网络构建[J].农业机械学报，2009，40（1）：56-59.