基于无线传感器网络的节约型农业灌溉自动化技术研究

摘要： 文章分析了当前国内外农业灌溉技术的现状并提出了解决措施。文中提了基于无线传感器网络的节约型农业灌溉自动化技术，利用有线或无线网络，在该系统研究的土壤中人为安放水分传感器、温度传感器，对农作物的生长条件进行监控，根据实际，进行自动供水和自动按一定顺序进行灌溉。其目的就是感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并给观察者，而观察者根据实际做出适应性调整。

Abstract： This article analyzes the current situation of agricultural irrigation at home and abroad and puts forward countermeasures. Saving-oriented automatic agricultural irrigation technology based on wireless sensor network is proposed in the article. Using wired or wireless network， moisture transducer and temperature transducer are placed in the soil studied in this system to monitor the growing condition of crops. Based on actual situation， automatic water supply and automatic irrigation in a certain order are done， in order to sense， collect and process the information of the sensing objectives in the network covered geological region. The information is then sent to the observer who will do adaptive adjustment according to practice.

关键词： 传感器；灌溉；自动化

Key words： transducer；irrigation；automatic

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）29-0170-02

0 引言

当前我国大部分农村传统粗放式的灌溉方式，就是根据种植经验对农作物进行人工灌溉或者通过机械装置进行定时的机械灌溉，不论是前者还是后者其灌溉方式都不能有效控制灌水量，容易对植物生长不利或造成水源浪费；还有一些地方采用自动定时灌溉，但是植物土壤湿度及所需的水分与自动灌溉时间某些时候会相矛盾，这样也会导致水资源的浪费，严重的可能导致植物因为水多或者水量不足而死。

我国是农业大国，水是农业的命脉，也是国家战略性的经济资源。如何科学合理地利用有限的水资源，如何有效地控制大田用水量，是当前农业灌溉面临的挑战。

解决的途径就是利用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）进行农业灌溉。利用WSN进行灌溉信息数据采集、数据处理，最后进行数据反馈，从而实现水资源合理利用，发展节约型农业灌溉。本文将针对农业灌溉自动化技术的具体情况，探讨无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）在节约型农业灌溉自动化技术建设中的具体应用，旨在为无线传感器网络（WSN）在节约型农业灌溉自动化技术中提供一种新的思路。

1 农业灌溉自动化技术中无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的架构

图1是经常被引用的一个典型的无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）网络架构[4]。首先在监控区域内布置若干传感器节点（如：温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、离子传感器、生物传感器、CO2传感器等），通过自组织方式构成网络，然后传感器节点将测得的信息通过多跳的方式传送到汇聚节点，通过汇聚节点连入互联网（Internet）或卫星，最后到达任务管理节点。采用无线网络来测量来获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

在无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）中，传感器节点不仅进行信息的收集与处理，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合。汇聚节点它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种通信协议之间的转换。任务管理节点具有人机交互界面，可以进行干预、遥控和管理。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）具有自组织、动态性、可靠性、应用相关、以数据为中心等方面的特点。[6]

2 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）在农业灌溉自动化技术中的应用现状

国外，英特尔公司在饿勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园，在葡萄园中布置了若干无线传感器结点，对葡萄园中土壤的温度、养分含量、及土壤中的有害物进行实时检测，以保证葡萄健康成长。美国Geomatics公司采用虚拟仪器开发工具的自动化灌溉系统，该系统现场处理器配置有模拟量输入通道、锁存器、继电器等，并通过RSS 232接口与主机实现串行通信。通过现场处理器以星型结构连接一系列分布于农场中的土壤温度张力计、电磁阀、压力与流量传感器及水泵等。

国内无线传感器网络在农业方面的研究起步比较晚，但也取得了一些成果。例如，北京市“蔬菜生产智能化网络传感器体系研究与应用”项目，将无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）应用于温室蔬菜生产中。但是国内更多的是示范工程和项目，仅仅停留在试验和演示阶段而没有能够形成产业的应用项目。

传统农业的模式已远不能适应农业可持续发展的需要，产品质量问题，资源严重不足且普遍浪费，环境污染，产品种类需求多样化等诸多问题使农业的发展陷入恶性循环，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）在农业中的应用为现代农业的发展提供了一条光明之路。

随着WSN技术的发展，为智能精确农业的大规模推广应用打下良好的基础。

3 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）在节约型农业灌溉自动化技术中的建设

研究智能农业中的WSN技术，首先要建立无线网络监控平台。图2是无线传感器网络主控系统建立的框架。从硬件上看，WSN节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成；从软件上看，它借助于节点中内置传感器有效探测所处监控区域的温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心通过处理、分析以确定是否启动水泵为农田供水。

基于无线传感器网络研究的基础上，提出节约型农业灌溉自动化控制系统。其系统框图如图3所示。该系统在土壤中安放传感器对湿度、温度、降雨量、酸碱度、水分蒸发量（风速）和空气温度等多种信息采集，根据实际，进行自动供水和按一定顺序进行自动灌溉。

节约型农业灌溉自动化控制系统关键部分研究是自动灌溉田间设备的控制。该部分的设计是采用以湿敏电阻和光敏电阻监测信号，灌溉渠水源发电用在供电的一种无需外接电源的自动灌溉装置。该装置监测电路由信号采集部分（用于土壤湿度检测，日光强弱检测），灌溉控制部分（包括与门判断和延时电路），电源部分，执行部分4部分组成。

4 结语

通过应用基于无线传感器网络的节约型农业灌溉自动化技术，有效实现根据土壤湿度、日照强度等因子系统自动推测出植物所需的水分，及时适量地加水，有效的节约水资源的同时，提高综合效益。但是在无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）中传感器节点通常由普通电池或锂电池供电，能量有限；传感器节点价格较高；网络容易受到被动窃听、主动入侵等攻击；单个的传感器节点往往不能完成对目标的测量、跟踪和识别等缺点。随着传感器成本的降低以及相关问题解决方案的不断优化，无线传感器网络将会在农业领域有更广泛的应用。

参考文献：

[1]Kim S， Pakzad S， Culler D， et al. Health monitoring of civil infrastructures using wireless sensor networks[C]∥Proceedings of the 6th International Conference on Information Processing in Sensor Networks. Ankara： ACM Press， 2007： 254-263.

[2]Werner-Allen G， Lorincz K， Johnson J， et al. Fidelity and yield in a volcano monitoring sensor network[C]∥Proceedings of the 7th USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation. Seattle： USENIX Press， 2006： 27-43.

[3]SUBRAMANIAN L， KATZ RH. An architecture for building self-configurable system [A]. 2000 First AnnualWorkshop on Mobile and AdHocNetworking and Computing[C].2000. 63-73.

[4]王阳光，尹项根，游大海等.应用于变电站自动化的无线传感器网络技术[J].电网技术，2009，33（2）：20-26.

[5]郑增威，霍梅梅.无线传感器网络技术对现代城市发展影响的若干关键应用分析[J].杭州科技，2010（01）.

[6]孙利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005：1-5.