基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计

第25卷第2期农业工程学报V ol.25No.2

2009年2月Transactions of the CSAE Feb.2009107基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计

高峰1,2，俞立1※，张文安1，徐青香2，于莉洁2

（1．浙江工业大学信息工程学院，杭州310032；2．浙江林学院现代教育技术中心，临安311300）

摘要：为实现准确判断作物水分亏缺程度，为精量灌溉提供科学依据，论文采用无线传感器网络技术，设计了作物水

分状况监测系统。该系统实现了信息采集节点的自动部署、数据自组织传输，可以使人们随时随地精确获取作物需水信息，包括引起作物水分亏缺的环境信息（温度、湿度、土壤温度、土壤湿度）以及水分亏缺时作物水分生理指标微变化

信息等。它具有功耗低、成本低廉、鲁棒性好、扩展灵活等优点。初步试验表明了该系统的合理性与实用性。可以应用

于温室、农田、苗圃等区域。该文为无线传感器网络在设施农业中的应用做出了探索性研究。

关键词：无线传感器网络，精量灌溉，作物水分亏缺，监测系统，设施农业

中图分类号：TP273+.5，S126文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-2-0107-06

高峰，俞立，张文安，等.基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计[J].农业工程学报，2009，25(2)：107－112.

Gao Feng,Yu Li,Zhang Wen'an,et al.Research and design of crop water status monitoring system based on wireless sensor networks[J].Transactions of the CSAE,2009,25(2)：107－112.(in Chinese with English abstract)

0引言

农业水资源利用效率低，短缺与浪费现象并存，是当前中国灌溉农业发展所面临的主要问题。解决这个问题的根本出路是大力发展和推广精量灌溉，它根据作物需水信息适时、适量地进行科学灌溉，达到节水增产的目的[1]。实施精量灌溉必须具备3个条件[2]：（1）掌握详细的作物需水资料；（2）运用先进的信息化技术，主要是遥感技术和计算机自动监控技术；（3）提供两者相衔接的大量技术指标，并将这些指标转化为遥感标识和模型。其中，作物水分状况的实时监测与诊断技术是精量灌溉的基础与保障[3]。所以，研究作物水分状况实时监测与诊断技术，具有非常重要的意义。

近些年来，国内外许多学者对作物水分状况实时监测与诊断技术进行了大量研究，取得了一些成果，其中比较典型的成果有：利用土壤水分诊断作物水分状况[4]、基于冠层温度信息诊断作物水分状况[5]、利用茎直径变差诊断作物水分状况[6]、利用植株蒸腾速率诊断作物水分状况[7]、利用声发射信号诊断作物水分状况[8]等。有些研究成果开始在一些商业果园和高档温室的灌溉管理系统中加以应用。然而，从应用现状来看，现有作物水分状况

收稿日期：2007-11-29修订日期：2008-07-26

基金项目：国家杰出青年科学基金“控制系统的分析和综合”（60525304）；浙江省科技计划项目“基于WSNs的设施农业环境精准控制关键技术研究”(2008C22G2100030)。

作者简介：高峰（1969－），男，江西万载人，副教授，博士研究生，研究方向为无线传感器网络、网络控制系统分析与设计、计算机网络拥塞与流量控制、智能控制等。浙江临安环城北路88号浙江林学院现代教育技术中心，311300。Email：gaofeng@https://www.sodocs.net/doc/1117620959.html,。

※通讯作者：俞立（1961－），男，浙江富阳人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为网络控制系统分析与设计、鲁棒控制、嵌入式系统及其应用、计算机控制等。浙江临安环城北路88号浙江林学院现代教育技术中心，311300。Email：lyu@https://www.sodocs.net/doc/1117620959.html,。实时监测系统还存在明显不足[9-11]：1）通信技术主要采用串行总线技术和现场总线技术等有线通信技术。虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但是实际的应用环境具有长期高温、潮湿、土壤及空气具有较高的酸碱性等特点，极容易导致通信电缆的老化，从而降低系统的可靠性。2）传感器工作在有线方式。在实际的农业生产应用时，需要密布传感器节点，才能实现对监测区域的有效覆盖，这将导致农业设施内部线缆纵横交错，系统安装及维护成本急剧增加。这些因素，极大地限制了研究成果在生产实际中的推广应用。

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）具有自组织、无需布线、即插即用、智能型强、健壮性好、成本较小等优点，可以有效解决上述缺陷。因此，本文顺应设施农业环境监控自动化、智能化和网络化的发展趋势，采用WSN技术，设计了基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统（WSN-CWSM），实现了农业设施内信息采集节点的自动部署、数据自组织传输，实现了对引起作物水分亏缺的环境因素（包括温度、湿度、土壤温度、土壤湿度）以及水分亏缺时作物水分生理指标微变化信息（茎直径变差）的远程、实时监测，同时实现了农业设施内光照度、CO2浓度的远程、实时监测。

1WSN-CWSM系统体系结构设计

1.1WSN-CWSM系统的主要功能

WSN-CWSM系统用于实现温室、农田、苗圃等区域内作物水分状况的精准检测，为实施精量灌溉提供科学的决策依据，其主要功能为[11,12]：

1）感知、采样和存档数据。部署在现场的每个WSN 节点负责采集自身周围的环境、土壤和作物生理生态信息。采集到的数据需要存储及有效的管理以便及时传送到研究人员手中进行在线或离线的数据挖掘和分析。因此，远程控制室的中央计算机、数据库服务器集成了

108农业工程学报2009年

WSN-CWSM 系统的管理软件子系统，具有数据存储、查询、网络状态监控、网络拓扑动态显示、采样间隔参数及实时查询设置等功能，并与图表化方式显示数据处理结果。

2）数据的访问与控制。对监控区域的数据访问可分为现场和远程两种方式。在执行初始化配置和现场维护任务时，需要对系统进行现场调试，研究人员可以在现场通过PDA 直接查询WSN-CWSM 系统中的一个传感器、调整运行参数以及其他调试工作。在系统运行期间，除了安装和移动节点外不需要到现场进行维护和管理，因此远程控制站点必须能够通过Internet/Intranet 对传感器进行访问和控制。

3）节能操作。根据作物的生长周期，WSN-CWSM 系统需要连续运行至少1个月以上。在此期间，监测系统要在无人干预的条件下，依靠自身的电池工作，因此系统能够在完成上面功能的基础上，必须尽量保证每个操作的低能耗，以延长系统的生存时间。1.2WSN-CWSM 系统的体系结构

基于WSN-CWSM 系统的功能需求及WSN 的特点，所设计的WSN-CWSM 系统具有如图1

所示的体系结构。

图1WSN-CWSM 系统的体系结构Fig.1Architecture of WSN-CWSM system

首先，研究人员需要通过Internet/Intranet 来访问WSN-CWSM 系统采集的各种数据，因此，WSN-CWSM 系统必须提供与远程网络交互的能力。其次，考虑到终端用户距离监测区域可能是几千米以外，采用广域网和监测区域的每个传感器保持连通的方式收集数据成本太高，因此WSN-CWSM 系统采用分层（簇）的网络结构，将每个传感器收集的原始数据或处理过的数据通过簇首（网关）、传送网络和基站传送给远程数据库服务器。

系统的底层是WSN 节点，主要完成感知、采样数据的功能。为获得准确的环境、土壤和作物生理生态信息，WSN 节点必须密集布设到分散的测量区域，每个区域（簇）之间一般来说都是不相关的[13]。簇内WSN 节点可以相互通信并具有很强的协同能力，通过转发其它节点的信息，节点之间构成多跳的通信网络。

每个簇都有一个网关（即簇首）节点，可以和簇内的所有节点通信，它发布管理节点的监测任务，并负责将来自簇内的数据通过传送网络传递给远程基站。因此，

网关需要实现两个通信网络之间数据的交换，实现两种协议栈之间的通信协议转换。

传送网络是基站和网关之间的通信桥梁，负责协同各个WSN 网关节点，它是一个综合网关节点信息的局部网络。根据需要，传送网络可以包括一个单跳或多跳通信连接。传送网络的设计需要考虑系统的鲁棒性、带宽、能量效率、成本和可操作性等多种因素。

基站是监测系统和外界联系的桥梁，将系统获取的数据通过Internet/Intranet 连接到数据库服务器，研究人员通过客户端可以获取所需要的数据。中央计算机根据获取的数据做出诊断决策。此外，系统中还包括一些移动设备PDA ，它们可以和网络中的任何一个部分进行交互，提供直接的现场操作能力。

为了实现长期有效的监测，WSN 节点、簇首和基站等各层不仅需要对数据进行长久的存储，还要提供数据管理服务。在传感器层面上，大量的原始数据是以日志形式存储的，这些数据被传送给簇首、基站以后可能就不需要了。而基站需要提供一个比较完善的数据库服务。这种数据管理系统能让用户有两种办法来操作系统中WSN 节点：

1）远程用户可以对基站数据库进行复制，然后对其进行操作，甚至可以对数据库进行直接操作，这种方法可以让用户在基站断开连接时很容易利用现有的数据分析和数据挖掘工具，通过数据库接口也可以远程控制网络。

2）现场用户可以利用PDA 设备直接对网络进行操作。PDA 能够直接访问每个传感器簇，提供给用户关于所监测环境和网络的最新数据。它也可以让用户通过调整采样频率、电源管理参数和其他网络参数来控制无线传感器网络。WSN 节点和PDA 之间的连接是单跳路由，用户可以直接和邻近的节点通信。

2

WSN-CWSM 系统硬件设计

2.1

WSN 节点设计

所设计的WSN 节点的结构如图2所示。它主要由数据采集子系统、数据处理子系统、无线通信子系统和电源子系统组成[14-16]。在设计WSN 节点时，重点解决了WSN 节点在能量消耗、鲁棒性、计算和通信能力、成本

和体积等方面的综合优化。

图2WSN-CWSM 系统的节点组成

Fig.2

Configuration of nodes for WSN-CWSM system

第2期高峰等：基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计109

1）数据采集子系统负责感知、获取监测区域内的信息，并将其转换为数字信号，它由传感器、（A/D）转换器及辅助电路组成。

为便于研究人员获取作物需水信息并研究作物需水规律与环境因素之间的关系，WSN-CWSM系统需要监测的指标包括温度、湿度、土壤温度、土壤湿度等引起作物水分亏缺的环境因素以及水分亏缺时部分作物生理生态指标的微变化信息（茎直径变差）等。此外，为了增强WSN-CWSM系统的实用性，作者同时实现了设施内部光照度、CO2浓度的远程、实时、自动监测。对于每种监测对象，选择相应的传感器对其进行检测。在选择传感器的过程中，主要考虑能耗、测量范围与精度、成本与体积等因素。本次设计所选用的传感器及其主要性能指标叙述如下：

①温度WSN节点用于检测作物冠层温度，传感器选用SHT75，主要性能指标是：测量范围-40℃～+123.8℃；精度±0.3℃（在25℃时)；响应时间＜8s；功耗20μW（平均值）；输出为数字量。

②湿度WSN节点用于检测设施内部环境湿度，传感器选用SHT75，主要性能指标是：测量范围0%～100% RH；精度±1.8%RH；重复性精度±0.1%RH；输出为数字量。

③土壤温度WSN节点用于检测土壤温度，传感器选用L2610281，主要性能指标是：测量范围-60～85℃；精度±2℃；电源（12±20%）V（在40mA）；预热时间＜1s；输出可选0～5V、4～20mA、0～1mA。

④土壤湿度WSN节点用于检测土壤湿度，传感器选用L2610281，主要性能指标是：测量范围0～100%；精度＜3%；重复性精度＜1%；输出可选0～5V、4～20mA、0～1mA。

⑤光照度WSN节点用于检测设施内部光照度，传感器选用TBQ-6，主要性能指标是：测量范围0～20万Lux；光谱范围400～700nm（可见光）；测量误差＜2%；电源电压12/24VDC；输出可选4～20mA、0～20mV。

⑥CO2浓度WSN节点用于检测设施内部CO2浓度，传感器选用CGS-3100，主要性能指标是：测量范围0～2000×10-6；精度±30×10-6±5%（0～50℃）；响应时间≤30s；电源9～18VDC；消耗电流50mA（平均值）；输出：数字量。

⑦茎直径变差WSN节点用于检测水分胁迫条件下作物茎直径微变化信号，传感器选用Ecomatik DD型传感器，主要性能指标是：测量范围11mm，通过重调测量范围可一直扩大；精度7μm；分辨率＜7μm；线性±0.5%；温度系数0.04%/℃；输出电压0～2500mV。

2）数据处理子系统是WSN节点的核心部件，负责数据处理、数据存储、电池能量监测、系统任务调度、执行通信协议（包括MAC/路由协议）和节点调度管理等工作。设计时采用TI MSP430F5418微控制器，它具有128KB Flash、16kB RAM、12Bit ADC。之所以选择MSP430F5418，主要是出于以下3个方面的考虑：首先，MSP430F5418采用16-Bit RISC体系结构使其具有较高的计算性能；其次，MSP430F5418可用开源开发软件工具成熟且TinyOS操作系统对其支持较好；第三，MSP430F5418的功耗极低，运行模式（Active Mode）下功耗为165A/MHz

μ，等待模式（Standby Mode）下功耗为2.6A

μ，断开模式（Off Mode）下功耗为1.6A

μ，关机模式（Shutdown Mode）下功耗为0.1A

μ。

3）无线通信子系统负责WSN节点之间以及WSN 节点与网关之间进行通信、WSN节点之间交换控制信息和收发所采集的数据。考虑到成本、能耗、启动时间、数据传输速率、接收与发送功率等因素以及TinyOS已包含CC2500驱动支持的原因，设计时采用低成本低功率2.4GHz RF芯片CC2500。CC2500具有体积小（QLP4mm ×4mm包装，20引脚）、高灵敏度（在2.4kBaud时为-104dBm，1%数据包误码率）、低电流消耗（接收模式下在250kBaud时电流消耗为13.3mA）、可编程数据传输率（范围为1.2～500kBaud）、可编程输出功率(最高可达+1dBm)等特点，启动时间（从睡眠模式到RX模式或TX模式）为240sμ。

4）电源子系统由单节锂电池（容量为1200mAh）、智能电池监测芯片（DS2762）、电池保护芯片（R5426）、电池充电管理芯片（BQ2057）、电源处理电路及外围接口电路等组成，用于为WSN节点提供智能充电和电路短路保护等功能，以确保WSN节点正常工作时所必需的能源。

2.2网关设计

根据1.2节所定义的网关的角色与任务，在研制网关时，没有设计数据采集子系统和电源子系统，其它结构与图2所示的WSN节点的数据处理子系统基本相同。网关实现了以太网接口、GSM接口、调试串口等。其中，网络接口选用低成本低功耗以太网控制器CS8900A实现，其最大电流消耗为55mA（5V电源）；GSM接口选用GSM模块TC35实现，其工作电压为3.3～5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W（900M）和1W（1800M）。

3WSN-CWSM系统软件设计

WSN-CWSM系统管理软件基于NI LabVIEW8.5进行开发，操作系统为Windows XP。为方便用户使用，管理软件的人机接口全部采用友好的图形化界面设计。

WSN-CWSM系统管理软件由参数设置模块、数据采集模块、数据处理模块和数据管理模块等组成[16]。参数设置模块主要实现各种系统参数的设置，如每个WSN节点的工作模式设置、数据采样时间设置等。数据采集模块主要实现多通道数据同步采集、波形实时显示等。采用动态实时曲线图方式和表格方式显示各个监测指标的变化信息，如图3所示。数据处理模块主要实现对所接收到的数据包进行处理，如数字滤波、数值计算、标度转换、逻辑判断等。数据管理模块主要实现对采集数据进行管理，包括存储、查询、打印、数据分析与统计等。采用关系型数据库SQL Server2000对采集数据进行存储和管理，采用曲线图和表格方式显示各个监测指标的历

110农业工程学报2009年

史数据查询信息。

图3WSN-CWSM 系统管理软件截图

Fig.3

Screen images of the interface of the management software for WSN-CWSM system

4试验结果

试验安排在浙江林学院智能温室中进行。浙江林学院智能温室由两个温室大棚组成。每个温室大棚作为WSN 一个测量控制区，因而传送网络中包含两个网关。由于本次设计方案没有为网关设计电源子系统，故实验时网关采用有线供电方式。通过在每个温室大棚内部署15个WSN 节点，可采集多种环境数据（包括作物冠层温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、CO 2浓度、光照度）以及作物茎直径微变化信号。数据采样间隔设定为20min 。采集数据可经网关以太网接口传送至本地控制室（可选，实验时没有使用以太网接口），并经网关GSM 模块传送至直线距离约1km 之外的实验室中央计算机。安装在中央计算机的管理软件实现数据的存储、显示、统计分析、查询和打印等。温室大棚内WSN 节点的通信半径约为18m ，部署完毕后节点可在2min 内组建单跳/多跳自组网络。

通过对Mica2兼容硬件平台进行测试，在没有任何低功耗措施时，1200mAh 容量锂电池仅能够供WSN 节点工作2天。通过控制数据采样间隔和采取休眠等低功耗措施，单节锂电池一次充电后，可供WSN 节点工作半年以上。

5结论

本文设计了WSN-CWSM 系统，并在温室环境进行

了初步实验。试验结果表明：（1）WSN-CWSM 系统可实现信息采集节点的自动部署、自组织传输，将其应用于设施农业，能够很好地解决传统温室监控系统的缺陷。（2）该系统可以使人们在任何时间、地点，通过Internet/Intranet ，获取作物需水信息，实现对作物水分状况的远程、实时和精准监测。（3）与传统定点布设的具有专门信号处理的高品质传感器方法相比，该系统具有无需布线、能耗低、成本低廉、鲁棒性好、扩展灵活及安装方便等优点，并能实现对监测区域的全覆盖监测。

WSN-CWSM 系统经进一步完善后可以应用于温室、农田、苗圃等区域，为设施农业生产工作者远程、实时监测作物水分状况以及设施农业科技工作者研究作物需水规律，提供强有力的信息化技术支撑。它也可以作为WSN 技术研究人员开展WSN 通信协议、安全等热点问题研究的硬件平台。

本文为WSN 技术在设施农业中的应用做出了探索性研究。课题组将创造条件继续完成相关试验、并逐步解决在试验中出现的新问题，以便从软件、硬件两个方面继续完善该系统。下一步的工作重点是：

1）进一步完善WSN-CWSM 系统的功能，在WSN-CWSM 系统的基础上，研制基于WSN 的可用于生产实践的设施农业环境监控系统，实现设施内部作物生长环境的精准控制。这可从两个方面进行改进：①硬件方面，可在WSN 节点中增加执行机构和定位子系统，使

第2期高峰等：基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计111

WSN节点具有简单控制功能并实现全部未知节点的定位；②软件方面，在现有管理软件中增加控制输出模块，实现设施内部各环境因素的调控。

2）进一步优化各WSN节点、网关的硬件设计和电路设计，使WSN节点与网关具有更小的体积、更低的成本和更低的功耗，不断增强系统的稳定性。

3）本次设计，基本上没有考虑WSN-CWSM系统的安全性问题。在实际应用于生产实践之前，这是必须解决的问题。课题组将创造条件开展相关研究，设计安全、实用的系统。

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112农业工程学报2009年Research and design of crop water status monitoring system based on

wireless sensor networks

Gao Feng1,2,Yu Li1,Zhang Wen’an1,Xu Qingxiang2,Yu Lijie2

(1.College of Information Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou310032,China;

2.Modern Educational Technology Center,Zhejiang Forestry University,Lin’an311300,China)

Abstract:In order to precisely determine the extent of the water deficit and thus to provide a scientific reference for precision irrigation,a particular design of crop water status monitoring system based on wireless sensor networks (WSN-CWSM)is proposed.The designed WSN-CWSM system implements the automatic deployment of data gathering sensor nodes and self-organization wireless communication,which enables crop growers to precisely acquire the crop water requirement information at any time and any place,including the environmental factors related to crop water deficit, such as temperature,humidity,soil temperature and soil humidity,and the micro-changes in crop physiological indexes of water stress,such as acoustic emission signal,stem diameter microvariation.It possesses many improvements,such as low energy consumption,inexpensiveness,good robustness,flexible extensibility.Preliminary experimentations prove the rationality and practicability of this system.It can be effectively applied to greenhouse,cropland,and nursery garden, etc.This paper contributes to the exploration research on the applications of WSN in facility agriculture.

Key words:wireless sensor networks,precision irrigation,crop water deficit,monitoring system,facility agriculture