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基于ZigBee技术无线传感器网络的农业调查

T.Kalaivani 索纳技术学院 ECE部门 萨勒姆，泰米尔纳德邦，印度 vanichezhiyan@gmail.com

A.Allirani SRS 工程与技术学院 ECE部门 萨勒姆，泰米尔纳德邦，印度 allirani2004@gmail.com

P.Priya 马亨德拉工程学院 ECE部门 萨勒姆，泰米尔纳德邦，印度 ppriya.mec@gmail.com

摘要：本文主要介绍了基于ZigBee技术无线传感器网络（WSN）在智能农业方面的应用。本研究工作进行了一项关于在农业领域无线传感器网络及其标准和技术的调查。基于分析和调查，尤其印度这样的发展中国家，对智能农业的需求已经达到最大程度。在本文中，我们试图调查基于ZigBee技术无线传感器网络在农业上的各种应用，比如监测环境条件，如天气、土壤含水量、土壤温度、土壤肥力、草害监测、监测叶片温度/湿度和监测作物生长、精准农业、农产品自动化灌溉设施、农产品存储等。本文还提供了可能的关于ZigBee物理层问题的研究。

关键词：ZigBee技术；无线传感器网络；精准农业

1.引言

在印度这样的发展中国家，农业发挥了重要的作用。本项调查重点关注在农业上应用基于ZigBee技术的无线传感器网络。对印度来说，农业是主要的收入来源。本文主要将印度农业作为实现ZigBee技术传感器网络后的目标是基于对印度经济和文化的详细分析。天气条件信息，土壤环境监测，土壤湿度和水分含量，土壤Ph值可以大大提高作物产量，同时保持土壤肥力。从印度农业如今的调查来看，我们得知异常天气条件和缺水已经导致农业产量的巨大下滑。由于农业产量下降，农民自杀率上升。在印度这样的发展中国家，由于基础设施建设，耕地面积正在减少。因此，在更少的地区获得更多的产量同时还能保持土壤肥力的需求大大提高。

如今，无线技术正在快速发展以至于现在农民也使用手机。所以通过手机给农民提供土壤和植物的所有环境条件将会成为事实。如今，无线传感器网络（WSN）还很少应用于农业。本文概述无线传感器网络可以被应用的农业领域。

本文结构如下。第二部分概述无线传感器网络。第三部分详细介绍ZigBee结构和一些关于ZigBee网络物理层的研究问题。第四部分给出ZigBee无线传感器网络在农业上的可能应用。第五部分用一些农业可能研究问题总结了本文。

2.无线传感器网络

微电子机械系统和纳米电子机械系统的最新进展已经使得无线传感器网络变成一个既有趣又有益的工业和民用应用。一个无线传感器网络是一个由许多小传感器组成的网络，这些小传感器成本低，容易配置并且耗能低[16]。一个传感器必然包括四个主要单元，即数据采集单元，存储和处理单元，通信单元和能量单元。数据采集单元包括一组传感器和模拟数字转换器（ADC）。无线传感器网络模块图如图1所示。传感器感应所需的信号，已经获得的模拟信号为了进一步的处理和存储被数字化。在处理单元，存储的数据被进一步处理，因为其要与其他传感器节点通信。能量单元可能包括太阳能电池或者钮扣电池。能量单元在决定传感器大小方面扮演了重要的角色。

传感器可以使用两种类型的无线电：（i）载波侦听多路访问（CSMA）介质访问控制（MAC）协议，（ii）IEEE802.15.4无线电。CSMA MAC协议工作在四个频段，315MHz，433MHz,868MHz和916MHz。该协议可容纳20-50kbps带宽范围内的信号。IEEE802.15.4无线电工作在2.4GHz频段并提供250kbps带宽。表1给出了两种无线电的规格。

传感器网络的操作系统也是一个重要的考虑因素，因为其在存储和操作中要消耗电力和能量。虽然有相当多的操作系统，这些操作系统要么是基于事件驱动，要么是基于线程驱动，但是最受欢迎的操作系统是基于事件驱动的Tiny操作系统。该操作系统是用nesC写入的轻量级操作系统。一些其他的线程驱动操作系统是运行在BT节点上的NUT操作系统。但是被广泛使用的操作系统是Tiny操作系统，因为它是事件驱动的，因而需要更少的内存和能量。

3.ZigBee协议和与农业有关的挑战

农业无线传感器网络需要一种低成本，低功耗和低数据传输速率的网络。为了满足这些条件，无线个域网联盟已经开发了一种被称为ZigBee的开放性全球标准[2]。ZigBee由四层组成，即物理层（PHY），介质访问控制层（MAC），网络层（NWK）和应用层（APL）。如图2所示。物理层和介质访问控制层由IEEE802.15.4标准所定义，网络层和应用层由ZigBee所定义。应用层包括两个子层。顶部子层是为了公众资料的，该公众资料允许OEM供应商创建可彼此协作的产品，如家庭自动化，精准农业，楼宇自动化，智能能源等。应用层里的其他子层是为了给制造商开发自己的专有资料的。

层与层之间的界面包括两个服务访问点（SAP）：管理实体服务访问点和数据录入服务访问点。数据录入服务访问点被称为物理层数据服务访问点（PD-SAP）和介质访问控制层公用部分子层服务访问点（MCPS-SAP）[1]。介质访问控制层通过管理实体服务访问点（MLME-SAP）和介质访问控制层公用部分子层服务访问点来提供服务给下一个更高层实体原语，并且该层还通过物理层数据服务访问点和物理层管理实体服务访问点（PLME-SAP）来从物理层请求服务。

ZigBee有三种类型的设备：ZigBee协调器（ZC），ZigBee路由器（ZR）和ZigBee终端设备（ZED）。ZigBee协调器是介质访问控制层协调器，并且它初始化，维护和控制网络。ZigBee协调器和ZigBee路由器应该是网络连续监测的电源。ZigBee路由器是一种全功能设备（FFD），它与ZigBee协调器和任何其他ZigBee路由器通信，并且负责多跳信息路由。

ZigBee终端设备能够感应或执行路由但不参与路由。它不和任何其他ZigBee终端设备通信。ZigBee支持三种拓扑结构，即（i）星型，（ii）网状型，（iii）簇树型。如图3所示。在星型拓扑结构中，每个ZigBee终端设备或者结束节点被连接到协调器，并且由ZigBee协调器发出通信。在网状型拓扑结构中，每个设备在其无线电范围内通过多跳与任何其他设备通信。在簇树型拓扑结构中，任何设备之间有一条单独路由路径。ZigBee有两种工作模式：（i）信标模式，（ii）非信标模式。在信标模式中，为了同步，信标是周期性地发送到ZigBee协调器的。在信标模式中，介质访问控制层遵循开槽CSMA/CA协议，而在非信标模式中，介质访问控制层遵循非开槽CSMA/CA协议。

ZigBee的物理层支持三个频段，即（i）包括16个频道的2450MHz频段，并且它支持抵消—正交相移键控（O-QPSK）调制，（ii）包括10个频道的915MHz频段，并且它支持二进制相移键控（BPSK）调制，（iii）包括1个频道的868MHz频段，并且它支持二进制相移键控调制。所有的三个频段均使用直接序列扩频访问模式[14]。物理层的主要特征如表2所示。下面讨论的是在物理层中遇到的一些挑战：无线电频率被许多农业因素影响，如多路径传播，阴影和衰减。当节点大多是为了广阔区域内网格覆盖而放置时，链接的质量是关注的重点，因为信号不得不受到若干因素影响，比如植物叶片密度，农作物的树冠，天气状况等。传感器节点也必须能够在各种各样的环境下工作，从光秃秃的旱地到复杂的地形[1]。每个传感器节点的接收信号强度也取决于这个节点被放置的离其他节点至多有多远时还有可靠的通信。

自由空间的路径损耗由该关系式确定，

Pt/Pr=d2/Lo （1）

其中Pt是发射功率，Pr是接收功率，d是发射器和接收器之间的距离，Lo是一个和传输频率有关的常数。但是，存在障碍比如农作物和树叶的密度，天气状况等，信号强度可能会有所不同。考虑到所有的环境条件，发射功率和接收功率之间的关系由该关系式确定，

Pr=LoPt/dn （2）

以分贝为单位的关系式，Pr（dBm）=Pt（dBm） Lo（dB）-10nlog10（d） （3）

路径损耗由该关系式确定，

Lp（dB）=10nlog10（d）-K（dB） （4）

n的取值通常由许多环境条件和传输频率所决定。在不同的环境条件下，n的可能取值范围是2到6[13]。链路功率预算的计算还依赖于节点间距和天线高度这样的因素和环境因素，如作物树冠。随着时间的推移，树叶的密度是不同的。树叶越多说明信息传输速率越小。信号在作物树冠上传播会导致信号强度减弱[4，5]。许多实验表明，当作物树冠完全发育时，最弱的信号可以被测量到[6，8]。在一个完全发育的干燥的作物树冠里，当收音机被放置在靠近土壤表面时，它可以传播11米，因此要求每公顷100微粒为可靠通信。接收信号强度指示（RSSI）值取决于LOS损失和因高度而产生的损失[7]。在一般情况下，接收方的灵敏度被指定为最少是-85分贝毫瓦。当二进制相移键控调制时，接收方的灵敏度应该是-92分贝毫瓦。当振幅键控调制时，接收方的灵敏度必须是-85分贝毫瓦。当天线高度低于作物树冠的高度，但是高于土壤表面时，平均10分贝损失可以在收发器里面测量，这些收发器被放置在或者穿过一行作物[3]。室内ZigBee传输范围是30米，室外ZigBee传输范围可以是75米。实验表明，传输范围减少是因为湿度，传感器缺陷和环境（陆地，林区，竹子种植园，沙滩，湿表面）。不同的环境条件下，n的取值不同。在一些情况下，不同的环境条件，传感器的方向性也不同，因为传感器的天线并不是真正的无方向性。在有雾或下雨时，Mica2微粒的传输范围从55米减少至10米。发射器的可用范围是由接收器的灵敏度和传输能量所决定的。

在传输范围内，假定所有通信被100%可靠地接收。超出传输范围，被接收到的所有数据包都假定是不正确的。存在一个巨大的灰色地带，传输范围有硬阈值这个概念是行不通的。图4说明了数据包的成功率依赖于发射器和接收器之间的距离。当发射器和接收器之间的距离非常近时，数据包被成功接收的概率非常大。然而当发射器和接收器之间的距离非常远时，数据包不可能成功地被接收。但是在灰色地带，数据包成功率（PSR）的变化在10%和100%之间。数据包成功率依赖于灰色地带的面积大小，传输方案和接收器电路。数据包成功率很大程度上也取决于干扰[13]。ZigBee微粒表明低数据比率会损失数据包。对土豆做的一项实验显示出一个有趣的值，在868/916MHz下，实验一年后，98%的数据包丢失了，但是在第二年期间，51%的数据被聚集起来了[11，4]。可以放置更多的微粒，或者在其他频率下进行测试，这样性能会更好。按照传感器定位和配置，传输也可以优化[10，12]。数据包成功率也会被干扰影响。当传感器网络与其他利用相同频谱的技术共存时，性能会显著下降。根据传感器的位置，一对传感器之间的传输在相同范围内可以影响其他对传感器。

当电池电压在2.159—2.167毫伏之间时（全电压水平是3000毫伏），数据会损失。这是由于温度上升了。对能耗及其对电池寿命的影响来说，安装的算法也应该被考虑其中。低温也会对微粒的电池寿命产生不好的影响。被放置在保持不同温度的冷藏室的传感器表明，在冷却条件下，电池寿命会降低。在0摄氏度下，ZigBee微粒所拥有的电池寿命只有在20摄氏度下所拥有的电池寿命的一半。电池电压的变化必须被隔离，以便它不能影响测量的准确性。为了提高节点的生命周期，一个被称为X MAC的MAC协议已经被巴勃罗.苏亚雷斯等人开发出来了[15]。

天气条件影响通信链路。对土豆做的的一项实验表明，在潮湿条件，通信链路更好[29]。随着雨水变多，相对湿度变大，接收信号强度指示值会增加[8]。实验已经表明，在降水率是150毫米每小时的情况下，2.4GHz信号的衰减只是0.02分贝每千米[10]。

一些被用作物理层效率参数的参数是接收器能量检测（ED）值和链路质量指示（LQI）。能量检测是被接收信号能量的估计，并且能量检测被计算的时间应该是8个象征时期。能量检测值是0表示接收到的能量是10分贝，低于接收器灵敏度。被能量检测值所限制的接收到的能量范围应该至少是40分贝。链路质量指示是接收到的数据包的强度的指示。它是一个度量标准，可以测量在接收信号的传入调制中所产生的误差[17]。网络层和应用层利用链路质量指示值。物理层还负责空闲信道评估（CCA）和避碰载波监听多路访问（CSMA-CA）。

对于某些应用，比如灌溉，采样率必须相应地改变。这是因为当灌溉系统不工作时，土壤湿度变化得非常慢；当灌溉系统工作时，土壤湿度变化得非常快。实验[18]表明当采样率高时，数据包丢失率是低的。

节点部署也是一个重要的研究领域。对于不同的应用，节点必须被正确合理地部署。查尔斯.c.卡斯特罗和杰弗里.范等人已经开发了一种策略来部署传感器节点，这种策略是基于统计分析和蒙特卡洛方法[18]。这个策略表现出的能量减少高达90%。

4.无线传感器网络在农业上的应用

在农业上，无线传感网络被用于提高效率和作物产量增长。采集不同的数据来改善种植。大部分研究工作是关于精准农业的。精准农业是指传感数据，收集数据，并且发送数据给一个控制站，这样做是为了做决定并且根据这个决定开工。大多数传感数据是环境条件比如天气，温度，风速，风向，土壤湿度，土壤物理化学性质比如土壤pH值，作物识别，叶片含水量，

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