基本信息
- 项目名称：
- 无线传感器网络支持下的果园数字信息采集与管理系统的开发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 该系统基于无线传感器网络技术，结合GPS定位（用于WSN锚节点的定位）技术与计算机软件技术，进行果园数字信息（土壤水分、环境温湿度、光照、风速、风向及雨量）采集与管理，为适时、适地、适量灌溉，施肥与远程管理提供技术支撑。该系统还将根据采集到的信息进行模糊分析得出最佳灌溉水量，控制电磁阀，实现自动灌溉。
- 详细介绍：
- 1、 绪论 1.1 市场前景 目前，我国农业正处于由传统向现代转变的关键时期，这个阶段必然要求以科学发展观统领农业工作，加快农业增长方式、节约使用自然资源和生产要素，优化农业农村经济结构，提高土地利用率，资源利用率、劳动生产率，减少污染，实现农业可持续发展。 随着社会的发展，如今农民已经不为温饱问题担忧，而是朝着更好的物质生活前进，手中的一分二亩地不再是他们创造“财富”的工具。目前，农业纷纷转向规模化生产，基于农业生产的先进技术也纷纷从示范应用阶段转向规模化使用阶段，农业机械已经率先批量使用，取得了不小的经济效益。 近20多年来，浙江省果树生产发展迅猛，水果已成为全省农业的三大产业之一，也是各地发展农村经济的主导产业，形成了柑桔、杨梅、枇杷、梨、葡萄、柿等众多水果规模化种植区域。另一方面，我省农村经济发展迅速，正处在向农业现代化迈进的过程中，已经建立或正在大力进行高科技的农业现代化园区建设。随着科学技术的迅速发展和农村市场经济的不断完善，农村劳动力的转移和产业结构调整，迫切需要由传统农业向现代化的信息农业转换。这些都为基于数字农业思想的果园数字化管理系统的应用提供了方便与紧迫要求，项目的成功应用必将产生良好的经济与社会效益。此外，相关方法和技术也有望扩展应用到其它类似的系统中，如水产养殖、畜禽养殖、水质监测与农村面源污染监测系统等，应用前景广阔。 1.2 系统重要性分析 准确采集和掌握果园中的各种信息是实现精细农业的前提，果园中的环境变化，对果树的生长影响很大，及时得到果园中的环境信息，有利于促进果树的健康生长和提高果品的质量。灌溉和施肥量的精细化也是精细农业的重要组成部分，不同果树，不同生长时期，不同季节对灌溉和施肥量有严格要求，因此，精确控制灌溉和施肥量对果树和果品也有很大影响。环境因素及灌溉和施肥量对果树（果品）的影响详见附录十三 该系统基于无线传感器网络技术，结合GPS定位（用于WSN锚节点的定位）技术与计算机软件技术，进行果园数字信息（土壤水分、环境温湿度、光照、风速、风向及雨量）采集与管理，为适时、适地、适量灌溉，施肥与远程管理提供技术支撑。该系统还将根据采集到的信息进行模糊分析得出最佳灌溉水量，控制电磁阀，实现自动灌溉。该系统针对嘉兴市南湖区凤桥镇水蜜桃种植基地或葡萄园进行应用示范，促进高效生态农业的实现，实现成本最小化，产量最大化，品质最优化，促进物联网技术在农业中的应用。 2、 系统总体介绍 2.1系统总体框架 系统通过无线传感器节点实现对温度、湿度、光等多种物理信息的精确采集，并将采集信息进行采样、数模转换，以及根据应用需求进行相应的处理，再通过多跳转发传送回嵌入式触摸屏进行处理来控制灌溉。 图1为系统整体结构，系统由无线传感器网络、现场用户和远程专家组成。其中，传感器网络由叶节点、路由节点与网关（汇聚节点）组成，它们都部署在果园内，每个叶节点和路由节点都可采集多个传感器的数据，并采用自组多跳路由无线方式把数据传到汇聚节点，同时，汇聚节点也可以将信息发送给各节点；汇聚节点可直接与用户PC相连，用户可以根据所采集的信息与自动处理后的结果进行监测、分析、决策与控制；同时，结合计算机网络等技术，远程专家也可以通过GPRS或INTERNET公网与现场用户PC相连，帮助用户进行分析与决策，也可以通过汇聚节点直接访问现场节点进行监测分析。 图1系统总体结构图 在无线传感器网络技术支持下，进行全球定位系统（GPS）、组态软件与决策支持系统在果园数字信息采集与管理中的集成研究，以实现果园数字化管理的科学化、便利化。系统集成结构图如图2所示。为同时保证无线传感网络的价格、节点体积、功耗以及可扩展性，先结合GPS确定少数锚节点的位置，再根据锚节点计算出未知节点的相对位置，从而确定所有节点的位置信息；GPS采用Trimble公司的具有12通道和内置信标接收器和卫星差分接受机的AgGPS132。无线传感网络节点采集到的信息经转换后直接接入组态软件和DSS（决策支持系统），并输出辅助决策信息（以灌溉量为主），实现精细灌溉。 图2 系统集成结构图 2.2主要研究与开发内容 （1）农业数字信息采集与管理技术集成研究及嵌入式软件开发 1）面向农业（包括大田与温室栽培）数字信息采集与管理应用的无线传感器网络技术研究：以低成本、低功耗与良好的环境适应性为目标，设计相应的组织结构、路由协议、节点定位与数据融合技术； 2）无线传感器网络（WSN）与全球定位系统（GPS）、专家系统（ES）在农业数字信息采集与管理中的融合技术研究，并开发相应软件； 3）面向农业数字化管理的无线传感器网络（WSN）与GPRS公网融合技术研究，并开发相应程序； 4）农业数字信息采集、管理、决策与控制（以灌溉为主）融合技术研究，并开发相应算法。 （2）物联网技术支持下的农业数字化管理典型应用系统开发 1）农业小气候环境信息无线采集与分析系统开发； 2）基于远程无线控制与智能决策的灌溉系统开发； （3）应用示范与产业化推广 1）成果应用示范基地：南湖区凤桥镇冠蜜梨种植基地、水蜜桃种植基地与葡萄园； 2）成果产业化：在以上基础上实现相关产品的产业化，在更多应用场合（如水产养殖）、更大地域范围内（市外乃至省外）进行产业化推广。 2.3创新与特色 （1）面向农业数字信息采集与管理应用的无线传感器网络技术 面向农业（包括大田与温室栽培）数字信息采集与管理应用，针对农用无线传感器网络监测面积大、作物多样、地势复杂、要求低能耗的特点，研究低成本、低功耗、自组织、高信息质量的无线传感器网络技术及系统架构，为农业数字化管理提供精细、灵活并且低成本的解决方案。 （2）低成本无线传感器网络节点定位技术 结合GPS定位技术，定位少锚点作为簇节点，根据RSSI测距特性，计算其他叶节点的新型低成本无线传感器网络节点定位技术。 （3）无线传感器网络与GPRS公网融合技术 无线传感器网络可实现农业数字信息的低成本无线采集，汇总后的数据还可通过GPRS网络进行远程传输，实现异地管理、分析与决策。 （4）基于无线传感器网络的农业喷滴灌智能控制技术及系统 可通过无线传感器网络采集农业土壤温湿度等信息，并根据所采集的信息，通过无线传感器网络进行喷滴灌电磁阀的开闭控制；也可以结合果树种类、生长阶段与种植环境等进行自动分析，并自动控制喷滴灌的开闭及灌溉时间。 （5）果园灌溉量模糊决策系统 果园的灌溉量由果园土壤水分含量和果园蒸散量共同决定，土壤水分含量可直接通过FDS100水分传感器获得；而农田蒸散量通常通过计算与测量相结合的方法获得，通过模糊技术，对果园灌溉量进行决策，取得最佳灌溉时间。 2.4 项目成果 技术成果 1）面向农业数字信息采集与管理应用的无线传感器网络技术； 2）无线传感器网络与全球定位系统（GPS）在农业数字信息采集与管理中的融合技术； 3）面向农业数字化管理的无线传感器网络（WSN）与GPRS公网融合技术； 4）农业数字信息采集、管理与决策控制（以灌溉为主）融合技术。 产品化成果 1）农业小气候环境信息无线采集与分析系统； 2）基于远程无线控制与智能决策的灌溉系统； 专利成果 专利1：一种农作物种子催芽环境的无线传感器网络监测系统 (已达公告阶段) 专利2：面向农业数字信息采集的层次型无线传感器网络系统 （已受理） 专利3：一种基于少量锚节点的无线传感器网络节点定位方法（二稿修改中） 专利4：基于无线传感网络的喷滴灌控制系统（修改中） 2.5 主要技术指标 （1）农业数字化管理技术集成 核心技术：低成本、低功耗、自组织、高信息质量的无线传感器网络的设计； 水分与养分定位：以GPS技术为辅（用于网络中少量锚节点定位），无线传感器网络低成本定位技术为主； 可视化表达与管理：利用组态软件与计算机软件技术； 远程通信：低成本无线传感器网络与GPRS公网融合； 决策技术：建立农业管理专家系统（ES），进行农业小气候环境分析、农业灌溉量决策分析； 控制技术：实现无线传感器网络支持下的农业喷滴灌远程控制、也可根据土壤湿度信息自动控制。 （2）面向农业数字信息采集与管理的无线传感器网络节点 无线传感器网络包括三种类型的节点：智能测控终端（叶节点）、路由节点与网关（协调器节点）。指标如下： 1）总体性能：通过多跳路由，现场无线网络覆盖范围可达10km；内嵌无线通信协议；具有网络自组织、自诊断功能；节点防水防潮放风，可用于大田布置。 2）智能测控终端：低功耗，可采用干电池供电，且在一般情况下可使用半年以上；点对点通信距离500m以上；可就近自动选择路由；可连接至少4路开关量输出、4路A/D采集；既可连接通用土壤与环境测试传感器，也可连接标准信号输出的土壤养分测定仪与果树生长信息检测仪；可接继电器，控制灌溉电磁阀。 3）路由节点：可选择太阳能/市电供电；单点传输距离1000米以上；可连接4路开关量输入/输出或A/D采集；既可连接通用土壤与环境测试传感器，也可连接标准信号输出的土壤养分测定仪与果树生长信息检测仪。 4）网关：可选择太阳能/市电供电；配置管理网络；可与LAN/WAN信息交互；可集成GPRS/GSM远程传输功能。 （3）基于远程无线控制与智能决策的灌溉系统 可通过无线传感器网络采集农业土壤温湿度信息，并根据所采集的信息，通过无线传感器网络进行喷滴灌电磁阀的开闭控制；也可以结合果树种类、生长阶段与种植环境等进行自动分析，并自动控制喷滴灌的开闭及灌溉时间。 （4）农业小气候环境信息无线采集与分析系统 可采集的参数与指标见表1所示： 表1 基本的通用测量参数及指标 参数 测量范围 测量精度 环境湿度 0～100% RH ±5% 环境温度 -50℃～60℃ ±0.5℃ 光照 0～20000Lux ±5% 雨量 0～4mm/min ±4% 风速 0-60m/s, 分12等级 ±0.1m/s 风向 0～360°, 分16等级 ±5° （5）数据管理功能 开发图形化信息显示平台，设计数据接收、数据处理、图形化显示、历史记录等多个功能模块，并可实现远程数据采集与异地管理。 3、 数据采集与传输 3.1 小型气象站设计 小型气象站可以满足新型果园的对实时现场天气信息的需要，准确的数据可以帮助果园技术人员对果树健康和果园操作的气候条件作出重要决策，该系统的小型气象站可以采集风向、风速、雨量、光照及果园中空气的温湿度，为灌溉量的决策提供依据。 3.1.1通用传感器的选择 温度传感器DS18B20是一款一线式数字温度传感器，温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，完全满足果园测温要求。 图3 DS18B20一线式温度传感器 风速传感器QS-FS采用先进的电路模块技术开发变送器，操作简单，使用方便，用于实现对环境风速的测量，输出标准的脉冲信号。已广泛应用于温室、环境保护、气象站、船舶、 码头、养殖等环境的风速测量。 图4 QS-FS风速传感器 风向传感器QS-FX传感器可测量室外环境中的风向，测量分东、西、南、北、东南、西南、西北、东北等十六个方向，具有很高的性价比，已广泛用于环保、气象、农业、林业、水利、建筑、科研及教学等领域。 图5 QS-FX风向传感器 HLAS-JS翻斗式雨量传感器是一种水文、气象仪器，用以测量自然界降雨量，同时将降雨量转换为以开关量形式表示的数字信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示等的需要。 图6 HLAS-JS翻斗式雨量传感器 室外温湿度变送器CG-01采用一款高度集成的温湿度传感器芯片，芯片全量程标定的数字输出，采用专利的CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。 图7 CG-01室外温湿度变送器 3.1.2 温湿度与光照一体式传感器的设计 BYT20YSCGJ光照度传感器变送器是以（紫蓝硅光电池）为光照度传感器对果园的光照强度进行检查，它采用先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，体积小、安装简单、线性度好、传输距离长、抗干扰能力强。 DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。 如图8所示，温湿度与光照传感器为了与数据采集模块相连，BYT20YSCGJ光照度传感器变送器需要通过模拟信号放大，采样保持，A/D转换，将数字信号输入到AT89S52，再通过D/A转换，输出标准的4～20mA电流信号；DHT21可以直接将数字输入到AT89S52，再通过D/A转换，输出标准的4～20mA电流信号。 图8 温湿度与光照一体式传感器结构图 3.2水分传感器的选择与布置 水分传感器FDS100是基于介电理论并运用频域测量技术，能够精确测量土壤和其它多孔介质的体积含水量。可以输出标准的4～20mA电流信号，从而可以直接与采集模块相连。 图9 FDS100水分传感器 水分传感器的布置采用四层布置结构，如图10所示，在同一地表的地下四个不同的深度布置4个水分传感器，可以全方位的检测果园土壤的水分含量。 图10 水分传感器四层布置结构图 3.3无线传感器网络设计 3.3.1 无线传感器节点设计 无线传感网络节点的设计是硬件设计的核心。无线传感网络节点是一种微型的具有信息处理与通信能力的嵌入式系统。在本系统中，节点采用模块化设计，各节点采用共同的核心模块，不同节点配以不同的扩展模块。如图11所示，节点以MC13213无线微处理模块为核心，扩展了无线传输单元（集成功率增强功能）、串行通信接口、传感器接口、数字输出接口与供电接口，从而构成了核心板。其中，MC13213无线微处理模块裁剪了通用RF模块中用于扩展和测试的部分电路，工作在2.4GHz频段，因此可以简单的实现无线系统方案。 核心板配以各种传感器构成传感器节点，或配以控制板构成控制器节点。传感器选用以上通用传感器和温湿度与光照一体式传感器，将采集的数据通过电流信号传送至核心板的多路传感器信号调理单元，经过A/D转换成数字信号，再通过无线传输单元发送或自己通过串行口传输给计算机。在实际应用中，控制器节点也可以配以传感器，兼具传感器节点的功能；在特殊情况下，考虑到传感器节点的节能需要，若传感器节点离基站较远，可以由控制器节点充当路由，从而相应传感器节点只与就近的控制器节点通信，通过控制器节点（路由）实现与基站的信息交互。 图11 无线传感网络节点结构示意图 电源供应模块分为市电、电池与太阳能三种，这取决于节点类型、节点需要的发射功率与能耗。协调器节点与基站相连，发射功率大，故采用市电供电；控制器节点与灌溉控制板相连以驱动电控阀门进行灌溉控制，由于灌溉控制板与电控阀门多采用市电供电，因此相应的控制器节点可以采用市电供电；核心板与灌溉控制板之间采用光耦实现隔离，以避免强电干扰；气象站传感器节点采用太阳能供电；除上所述，其它节点采用电池供电即可。 3.3.2 无线通信协议与程序设计 网状网具有无单点故障的健壮性和稳定性，它的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号。在无线Mesh网状网中，每个节点都会维持到最邻近节的最优路径。当无线环境发生变化时，比如加入新节点或者发生拥塞，网络将会自动地进行自我调节将性能维持在最佳性能，保证数据传输的可靠性与稳定性。但是网状网的通信协议比较复杂，大面积网络的布置成本高，而且重新组网困难。 星型网分为一个中心节点和若干个叶节点，中心节点和叶节点之间进行简单的直接通信，因此网络通信协议简单，网络扩展方便，单个叶节点故障叶不会影响整个网络，故障检测方法简单。但是中心节点的可靠性和冗余度要求很好，中心节点一旦故障，整个网络将随之瘫痪。 系统采用星型网和网状物结合的网络拓扑结构，图12为总体网络结构图，路由节点（簇首节点）是现场节点（叶节点）和中心PC的桥梁，采用网状网络结构,可以提高通信的可靠性和网络的扩展性；现场节点采用星型网络结构，降低现场节点间网络协议的复杂性，提高了现场节点加入和退出的灵活性。 图12 总体网络结构图 图13为网状网和星型网结合的数据传输模型 ，在默认状况下，路由节点站1接收到其所在星型网中叶节点发送过来的数据，通过站2路由，将数据发送至站4，最后上传至上位机，而当站2出现故障，不能顺利接受到站1发送的数据时，站1将自动将数据发送至站3，通过站3路由，发送至站4，最后上传至上位机，保证了数据传输的可靠性。 图13 网状网与星型网结合数据传输模型 该系统无线传输模块采用MC13213，它定义了两种数据传输模式：Stream模式和Packet模式。在Stream模式中，数据的发送和接收是逐字(word-by-word)处理的。而在Packet模式中，发送时，发送方先将待发送数据缓存在Modem的发送缓冲区(TX RAM)中，然后再发送；接收时，接收方先在接收缓冲区(RX RAM)中缓存收到的整个数据包，然后再通知MCU来读取。 为保证MCU可以正常工作，必须先对芯片初始化，从而对MCU的硬件模块进行正确配置，初始化完成后会涉及到SPI循环事务的实现，下面以Packet模式下发送和接收数据的完整过程来描述对Modem RX/TX RAM的SPI循环读写操作，如图14所示。 图14 读写无线模块RX/TX RAM流程图 3.4无线温湿度传感器设计 如图15所示，无线温湿度传感器硬件包括无线传输模块NRF24L01、主控芯片（MCU）AT89S52、传感器模块DHT21和电源供应模块，传感器模块DHT21是一个标准化的数字输出传感器，环境温湿度通过DHT21转换成数字信号传输给AT89S52，AT89S52通过SPI总线与无线传输模块NRF24L01通信，控制无线传输模块发送采集到的数据。 图15 无线温湿度传感器结构图 传感器模块（DHT21）采集程序见附录十四： 4、 数据处理与决策控制 4.1上位机软件设计 4.1.1 嵌入版 mcgsTpc嵌入式一体化触摸屏，如图16所示，作为整个无线传感器系统中心（上位机），所有传感器采集得到的数据都触摸屏上显示，还可以在触摸屏上控制电磁阀等执器件的开关。 图16 mcgsTpc嵌入式一体化触摸屏 MCGS嵌入式组态软件是具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的TPC7062K触摸屏配合MCGS嵌入式组态软件实现一个人机交互界面，如图17、18所示。根据传感器输入的信息，作物种类信息，作物种植土壤类型，进行选择、查询，数据的计算、电磁阀开关信号的输出，报警灯的显示，数据曲线的显示，历史数据的查询、计算、报表的打印等。各参数超于预设值后，报警灯变红，并打开或关闭某电磁阀。 图17 上位机界面1 图18 上位机界面2 图19为基于实测土壤水分量灌溉控制的上位机程序结构图，灌溉控制的决策依据是实测土壤中水分含量，系统可以自动控制灌溉量。 图19 基于实测土壤水分量的灌溉控制 图20为基于离线模糊决策灌溉控制的上位机程序结构图，果园技术人员应用上位机显示的果园数字信息，通过基于气象信息与土壤水分的果园灌溉里模糊决策系统(如图21所示)计算果园灌溉时间，并将计算所得灌溉时间输入至上位机，从而控制系统灌溉时间。具体算法见4.3灌溉量模糊决策与控制。 图20 基于离线模糊决策的灌溉控制 图21 基于气象信息与土壤水分的果园灌溉里模糊决策系统 4.1.2 PC版 PC版上位机软件与嵌入版基本相同，但PC版软件的运行平台是普通的PC机，软件结构相同，如图19、20所示。 4.2 无线传感器网络节点定位 无线传感网络定位方位结合了GPS定位技术，用4个锚节点作为基准节点（GPS定位），根据RSSI测距特性，被测节点可根据到任意三个锚节点的距离得到自身在此坐标系中的位置，从而获得4组数据，利用求加权质心的方法，得到被测节点最终的位置。 定位步骤如下： 1）在无线传感器网络设置4个锚节点，锚节点上还载有GPS信号接收装置； 2）锚节点周期性发送信标信息，被测节点在接收到各个信标信息后，进行平滑滤波，并将RSSI值通过无线信号传播路径损耗模型转换为距离值。 3）将距离值从小到大排序为 , , , ，对4个锚节点进行定位；通过A，B，C点得到E点的坐标估计 （ ），通过A、C、D得到E点的坐标估计 （ ），通过A、B、D得到E点的坐标估计 （ ）, 通过B、C、D得到E点的坐标估计 （ ）；参与每次定位3个锚节点距离之和求倒数，得到加权因子，通过加权因子计算出被测节点E（ ）的位置，如图22所示。 图22 无线传感器网络节点定位方法的示意图 具体节点定位方法见附录五：专利3 4.3灌溉量模糊决策与控制 作物需水量的大小与土壤水分含量、环境气象条件（光照、温度、湿度和风速等）、作物类型及其生长发育阶段等有关。农田蒸散量是描述作物需水量大小的另一关键因子，其综合反映了环境气象条件与作物类型等因素。因此，本系统选择土壤水分含量与农田蒸散量作为模糊控制器输入量。 土壤水分含量可直接通过FDS100水分传感器获得；而农田蒸散量通常通过计算与测量相结合的方法获得。在非充分灌溉条件下的农田蒸散量公式可表示为：• 其中， ——水份胁迫条件下作物的实际农田蒸散量； ——参考农田蒸散量； ——土壤水份修正系数； ——作物系数。 如图23所示，参考农田蒸散量 的计算是其中的关键，其计算方法众多，应用最多的是FAO56 Penman-Monteith方法。研究表明，无论干旱地区还是湿润地区，FAO-56 Penman-Monteith (FAO56-PM)法的计算精度都是最高的。该方法以能量平衡和空气动力学原理为基础，具有较完备的理论依据和较高的计算精度，因此被认为是标准化方法，在世界范围内广泛应用。该方法需要光照、风速、空气温度、空气湿度等气象信息。在本系统中，FAO56 Penman-Monteith公式所需的气象信息资料通过布置于作物种植区附近的微型气象站获得。 图23 模糊控制机构原理图 如图24所示，模糊控制器的输入为土壤水分含量 与农田蒸散量 ，输出为灌溉时间 。为了保证适当精度，三变量都定义了5个语言变量：很小（VL）、小（L）、中（M）、大（H）、很大（VH）。在选择隶属函数（MF）时，考虑到三角形MF的形式简单，计算效率高，特别适用于要求实时实现的场合，故本系统选择三角形MF 。 . 图24 农田蒸散量隶属函数 灌溉量模糊决策步骤： 1）模糊化：将输入变量的精确值转化为适当论域上的模糊语言变量值，即确定各输入与输出量的变化范围及其对模糊语言变量的论域。如农田蒸散量的基本变化范围为[0 g/h，+1 g/h]，选定其论域X={0，0.23，0.46，0.69，0.92}。 2）模糊推理：以知识库为基础，通过一定的推理机制，由模糊输入值得到模糊输出值的过程。推理规则主根据经验加以总结，得到以“IF-THEN”语句表达的规则，如根据经验，当土壤水分含量低于下限值时，说明土壤极其缺水，此时不管农田蒸散量的高低，作物都需要大量灌水，写成模糊推理规则即“if WP is VL then WT is VH”。模糊推理规则库如表2所示，在实际应用中，还需要根据不同情况对规则进行调整，逐渐形成最佳灌溉方案。 表2 作物需水量推理规则表 农田蒸散量 土壤水势 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：根据模糊推理所得结果乘以比例因子，得到系统所需控制量的精确输出值。本系统采用质量中心法去模糊化，得到喷滴灌头控制阀门的打开时间。 5、 结论 1）提出了将无线传感器网络与模糊控制相结合用于精细灌溉的方法，设计了相应的系统，该系统通过采集并分析作物种植区域土壤水势与农田蒸散量可精确获取作物需水量，并实现自动、定位、实时与适量灌溉。系统经济、实用，特别适用于中小型灌溉区域。 2）进行了无线传感器网络节点硬件设计与开发，使其可连接土壤水分、环境温度、环境湿度与光照四种传感器,充分掌握土壤水分、环境温度、环境湿度与光照情况，实现适时、适地、适量灌溉，验证了无线传感网络用于远程灌溉控制的可行性，大幅度提高了农业的环境与经济效益。 3）设计了用于精准确定作物需水量的信息采集方案，并建立了基于FAO56 Penman-Monteith公式与模糊数学的多传感数据融合方法，该方法综合考虑了土壤水势与农田蒸散量相关的环境温度、湿度、太阳辐射与风速等因素的影响，提高了决策精度。 4）设计了无线传感器网络采用星状网拓扑结构，要求各节点数据能正确接收，从而节点发射功率与能耗较高，今后宜进一步研究新型网络拓扑结构与组网策略，降低节点能耗，以适应大面积、大容量灌溉系统。 5）选用无线传感器网络若干簇首节点作为锚节点（用GPS定位），通过无线传感器网络内部通信机制进行其它节点的定位，开发了相应的定位算法。 6、 展望 1）目前针对专门农业环境的无线传感器网络节能策略、数据融合方法等方面还存在很大难点，有待进一步研究； 2）信息管理系统与GIS地理信息系统、专家系统的融合还需要进一步研究； 3）无线传感器网络拓扑结构、节点间传输距离，尤其面向大规模农田应用的无线传感器网络拓扑结构、节点布置还需要进一步研究与优化。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本项目旨在基于无线传感器网络技术，结合GPS定位（用于WSN锚节点的定位）技术与计算机软件技术，进行果园数字信息采集与管理，为适时、适地、适量灌溉，施肥与远程管理提供技术支撑。 具体内容与创新点： 1、进行无线传感器网络节点硬件设计与开发，使其可连接土壤水分、环境温湿度、光照、风速、风向及雨量等传感器； 2、开发星型网与网状网混合的无线传感器网络组织结构及相应的通信程序，在此基础上构建了基于无线传感器网络的采集系统； 3、选用无线传感器网络若干簇首节点作为锚节点（用GPS定位），通过无线传感器网络内部通信机制进行其它节点的定位，设计了相应的定位算法； 4、选用组态软件，开发了果园数字信息管理软件，实现了果园采集点位置信息、土壤与环境信息的融合管理； 5、实现了无线传感器网络与GPRS的融合； 6、根据所监测的光照、空气温度、空气湿度、风速、土壤水分信息，计算了农田蒸散量，并运用模糊计算方法，计算出了灌溉量，为远程模糊灌溉控制的实现奠定了基础。 技术关键： 1、果园环境下的无线传感器网络节点硬件与通信程序设计，做到防水、防风、用电池或太阳能供电； 2、星型网与网状网混合的通信程序设计； 3、无线传感器网络与GPRS的融合； 4、基于嵌入式组态软件开发嵌入式一体化触摸屏； 5、根据无线传感器网络系统少量锚节点的位置，对其它节点自身位置进行定位的方法研究与程序开发； 6、基于组态软件的上位机软件开发； 7、模糊灌溉控制的实现。
科学性、先进性
- 本项目即针对以上问题，结合GPS定位（用于WSN锚节点的定位）技术与计算软件技术，进行果园数字信息（土壤水分，环境温度、湿度与光照）采集与管理，为适时、适地、适量灌溉，远程管理等提供技术支撑。相关软硬件成果将针对嘉兴市南湖区枫桥镇水蜜桃种植基地或葡萄园进行应用示范，促进物联网技术在农业中的应用。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段，已在种植基地实地示范应用。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该系统由传感器网络、现场用户、远程专家组成。传感器网络由叶节点、路由节点与网关组成，它们都部署在果园内，每个叶节点和路由节点都可采集多个传感器的数据，并采用自组多跳路由无线方式把数据传到汇聚节点，同时，汇聚节点也可以将信息发送给各节点；汇聚节点可直接与用户PC相连，用户可以根据所采集的信息与自动处理后的结果进行监测、分析、决策与控制；同时，远程专家也可以通过GPRS或INTERNET公网与现场用户PC相连，帮助用户进行分析与决策，也可以通过汇聚节点直接访问现场节点进行监测分析。 该系统在星型网和网状网的基础上，创新了星型和网状混合的网络拓扑结构，锚节点间采用网状结构，提高通信的可靠性和网络的扩展性，在各簇间节点采用星型结构，降低节点间协议的复杂性，提高了节点加入和退出的灵活性。系统还结合计算机软件技术，开发果园数字信息管理软件，实现果园采集点位置信息、土壤与环境信息的融合管理。系统还采用了太阳能供电技术，解决了野外无线传感器节点供电难的问题。
同类课题研究水平概述
- 1、国外研究与应用情况 无线传感器网络（WSN）是2000年以来兴起的新一代的传感器网络，其由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，具有监测精度高、成本低、容错性高、覆盖范围大、可远程监控等优点。其集传感器技术、微机电技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式处理技术于一体，因其广阔的应用前景而成为当今世界上备受关注的、多学科高度交叉的热点研究领域。其在2003年MIT《技术评论》中被列为改变世界的10大新技术之一，被美国《商业周刊》预测为未来四大新技术之一。其中，ZigBee无线传感网络是其中一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线传感网络技术。ZigBee联盟成立于2001年8月，2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“ZigBee联盟”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。自此之后，欧美发达国家在对该技术不断研发的基础上在多领域进行了应用。 2、国内研究及应用情况 国内在无线传感器领域的研究基本与国外同步，已经取得了一些初步成果，但针对农业领域应用相关研究的成果不多见。一些成果是把无线传输技术（GSM/GPRS、蓝牙、无线局域网、数传模块等）简单地用于农业应用环境，不是真正意义上的无线传感器网络应用，没有体现出无线传感器网络的优点，但这些研究为无线传感器网络在农业应用打下了良好基础。
