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精准农业中的无线传感器网络和物联网

摘 要

物联网是当今最流行的主题之一，传感器和智能设备促进了信息和通信的提供。在物联网中，一个主要概念是无线传感器网络，其中从网络中的所有传感器收集数据，该网络的特点是低功耗和广泛的通信。在这项研究中，提供了一个监测小农场土壤湿度、温度和湿度的架构。这项研究的主要目的是减少水的消耗，同时提高小型农业农场的生产率和精确度。在大多数国家，农业是一些城镇和大多数村庄的支柱，这一事实进一步推动了这一目的。此外，一些国家依赖农业作为主要收入来源。考虑到上述因素，农场被分成几个区域；所提出的系统使用无线传感器网络、物联网监控各个区域的土壤湿度、湿度和温度，并向最终用户发送报告。作为信息的一部分，该报告包含了10天的天气预报。我们相信，有了上述信息，最终用户(农民)可以更有效地安排农场种植、收获、灌溉和施肥。

关键词 无线传感器网络；物联网；智能农业应用；精准农业

1. 介绍

由于人口的增加和相应的降雨量的减少，造成了粮食和水的严重短缺，这是最基本的生活需求。因此，精确农业的重要性变得越来越明显，导致近几十年来在该领域进行了大量的研究。在大多数国家，家庭经济依赖于农业，因此，有原则的生产性农业对他们来说至关重要。不幸的是，在大多数小农场耕作的国家和地区，原始方法仍然被广泛使用，而在发达国家；统计数据显示，现代农业的使用正在增加。现代农业可以用这个观点来表达；降低农业成本，提高生产率。

这项研究的主要目标是小农场，换句话说，能够在小面积内种植几种类型产品的农场，如蔬菜和水果。例如，考虑在农场种植茄子、欧芹、胡椒或番茄，这些都需要不同的灌溉方法和时间安排。因此，这项研究的主要目标是以最小的成本增加产量，并最终增加净收入。以无线传感器网络(WSN)和物联网(IOT)概念支持农业的技术有助于逐步摆脱原始的农业做法。对工业农业的研究从气候信息、土壤信息到智能灌溉都是基于无线传感器进行的数据收集。无线系统提高了作物产量和便利性。无线传感器网络从大大小小的网络中的不同传感器收集信息，以便最终用户能够获取和处理数据。这些网络可以用于监测人们的健康、天气状况、控制交通和空气污染。

物联网是一种环境，其中物体、动物或人配备有唯一的标识符，能够在互联网上传输数据，而不需要人类或计算机交互。在本文中，我们努力使用不同的传感器来模拟物联网概念。传感器收集的信息通过树莓PI 3和WI-FI模块发送到服务器，这些模块可以在图形环境(GUI)中理解。随着时间的推移，该领域的应用数量不断增加，许多研究人员一直在关注一种基于物联网技术概念的新思路。农业和智能农场是最受欢迎的研究领域之一。然而，它们不是全面的方法。大多数研究都是针对异构设备之间的兼容性和连接性进行的。目前，由于这种技术，农民可以从耕作区域的不同区域收集温度、空气湿度、土壤湿度、体积含水量(VWC)和重量含水量(GWC)等数据。在收集了所需的数据后，可以对它们进行分析，并根据不同的意图，如种植、收获、灌溉、施肥，向用户提供灵活的计划。同样重要的是要注意，由数字传感器收集的数据必须为最终用户所理解。

在我们提出的系统中，我们通过传感器节点收集不同的数据。此外，我们使用一些当前信息，如天气条件，因为将外部因素纳入自身参数的系统分析更可靠。

论文的其余部分组织如下。第2章是关于精准农业的相关工作，第3章描述了我们提出的系统架构和能力。最后，第四部分给出了工作研究和未来工作的结论。

1. 相关工程

在这一部分，我们将重点关注如何在农业应用中使用物联网和智能技术。

提出了一种智能无线传感器网络，因此作者设计了一种从农业环境中的节点收集数据的架构。他们分析收集的数据，并将结果显示给最终用户。提出了一种基于无线传感器网络的马铃薯种植方法，它可以监控和了解单个作物和需求。因此，农民可以潜在地确定各种肥料、灌溉和其他要求。作者提出了一个灌溉管理模型，利用数学计算和智能湿度传感器来估计农业参数。用于监控的设备是笔记本电脑或PDA。介绍了一种基于无线传感器网络的智能系统，在杨梅温室中使用土壤湿度和温度传感器。该系统可以采集温室的温度、湿度、光照和电压。

GPRS网关已经用于传输数据来监控系统。传感器的能量由太阳能和蓄电池提供。在[7]中提出了一种在糖厂建立节能无线传感器网络的新平台。它通过太阳能系统提供能量效率。提出了一种使用自动化和物联网技术使农业变得智能的方法。在本文中，作者使用紫蜂模型、摄像机和执行器来处理基于精确实时现场数据的智能灌溉。重点介绍了使用无线水分传感器网络和物联网技术的自动化灌溉，以实现智能精准农业系统。按计划灌溉是在特定时间向植物供水，并通过基于温度、湿度和湿度传感器的反馈自动灌溉。两种灌溉方法相比，第二种方法在耗水效率上更好。

从文献中的许多研究可以看出，无线传感器网络是一种与物联网技术嵌套工作的结构。所以，我们来说一点这个网络。

1.无线传感器网络

无线传感器网络由无线通信环境中的多个传感器节点组成。传感器节点是用有限的能量和记忆来检测温度、湿度和湿度等物理现象。许多当前的研究人员通过各种方法关注这些限制，如不同的路由协议、基于智能的方法等。它们在军事、医学、教育、农业、监控系统等各种环境中有许多应用领域。预计物联网概念的出现将带来更多的工作空间。图1显示了传感器节点的示例体系结构。

传感器节点的主要组成部分是电源单元、计算单元、传感单元和通信单元。

图1. 节点架构

节点感测现象的物理事件，并通过感测单元将其转换成数字信号。然后，他们处理收集的数据，并通过计算单元进行处理。这个单元由处理和存储子单元组成。他们可以在存储器中存储必要的数据。此外，他们通过动力装置支持必要的几个小时到几个月或几年的操作。传感器节点也能够基于各种拓扑(例如网状、星形等)作为集中式或分散式架构一起通信或与服务器/基站通信。这是通过通信单元实现的。传感器节点可以在点对点或多跳模型中一起通信。

这些都是与经典传感器节点最深层次的区别。此外，这些节点广泛部署在1米至100米的区域，通信带宽低，内存和计算能力有限。

无线传感器节点的特点是易用性、大规模部署的可扩展性、节点的移动性和弹性。由于这些网络感兴趣的是有关物理现象的信息，而不是来自单个传感器的信息，因此单个节点的故障不应影响网络的整体运行。然而，容错是网络中的一个重要设计因素。需要注意的其他因素是成本。这些网络最基本的特点就是便宜。因此，它们几乎被用作低成本的传感器节点。研究人员正在引入具有不同软件和硬件属性的新传感器设备。在本文中，我们使用我们设计的传感器节点。另一个因素是能量和网络寿命。传感器节点的电池电量低(4焦耳或更低)。遵循各种方法，如优化路由协议、拓扑控制和电源管理协议来实现这一目标。

2.物联网

物联网是近年来讨论的新课题之一，使用领域正在快速增长。它们由许多配备互联网输出的节点组成。自组织系统、普适和嵌入式系统、可穿戴技术和机器学习技术等现有技术是物联网的出现创立的新概念。这项技术最重要的要求之一是连接到互联网问题。互联网是我们生活中不可分割的一部分，可以减少成本和时间。想象一下你在网上搜索你丢在家里某个地方的手表。因此，这是物联网的主要愿景，在这种环境中，事物能够说话，它们的数据可以通过机器学习技术进行处理，以执行期望的任务。物联网是围绕无线无线电波构建的，允许不同的设备通过互联网相互通信。这个平台包括Wi-Fi、低功耗蓝牙、NFC、RFID等一些标准。物联网中的物理对象收集和处理它可以从环境和/或其他对象接收的数据。这些对象嵌入了传感器、执行器、互联网输出和网络连接。事实上，并不是所有的设备都需要联网。这种属性会增加系统的成本。在这种情况下，系统设计人员可以使用WSN结构来实现智能应用。

环境和个人健康监测、包括农业在内的工业过程的监测和控制、智能空间和智能城市只是物联网应用的一些例子。根据图2，据估计，到2025年，大约754.4亿台设备将连接到互联网。物联网趋势之一是农业。在基于物联网的农业应用中，对象相互通信，从农场或温室提供有用的信息。在这些类型的系统中，一些实际的设备执行一些必需的操作，例如灌溉和修剪。换句话说，互联网和物理代理已经有效地减少了人为因素的参与，提高了生产率，同时降低了成本。

图2. 物联网连接设备

1. 提议的系统

在本节中，将介绍建议的系统架构。系统中使用的传感器类型有湿度、温度和土壤湿度。在这种架构中，基于传感器的设备被部署在环境中以进行感测和数据收集。相关系统对农民更有利，因此他/她可以管理自己的时间、精力和成本。数据将由系统节点收集，并最终通过交叉从可能的其他节点和网关传输到服务器。服务器端收集的所有数据都必须进行分析，并在一个用户友好的平台上呈现给用户。SIXFAB公司和IZU-WSN研究实验室。设计了一个被称为KIANI传感器节点的定制板如图3，本案例研究中使用了该节点。

图3. 我们共同生产的定制传感器节点

节点的传感单元有土壤湿度传感器。此外，该板具有温度和湿度传感器，可检测不同的空气湿度和温度。在通信单元中，我们的板收发器基于德州仪器cc1101低功耗亚1GHz射频收发器计算单元，配备Arduino Nano，ATmega328P用于计算单元。在电源单元中，我们使用了1200mah 3.7v锂离子充电电池。在架构的第二部分，我们使用树莓PI 3作为网关，将从传感器收集的数据发送到服务器，以处理和呈现用户需要的信息。最后，温度、湿度、土壤湿度和未来空气状况等相关信息在图形用户界面中显示为应用程序，可在相关网站和移动应用程序中获得。图4显示了农业用地中系统和节点的示例模型。

图4. 农场中基于传感器的定制节点

今天，水问题是我们生活中的重要问题之一。我们需要避免浪费，我们必须正确使用这种资源，尤其是在农业用地上。另一方面，灌溉系统传统上用于农场，水到达了进入农场的入口，结果，在一定时期内，水就会流入全部的农业用地。为了覆盖整个农场表面，它还取决于地球的表面和土壤的类型。传统上，在农场里创造的水道至少可以平均分配入口水。在我们提出的系统中，我们考虑一个100*100米的农场，农民将这个区域分成四个相等的区域，如图5所示。然后，在每个地区，我们的节点已经部署完毕。数据每一小时从设备中获取一次，然后转发到网关。在那里存储，然后通过应用编程接口传输给最终用户。

图5. 分成4个相等集群的农场结构

之后，将处理一个应用程序，并将数据显示给最终用户。该系统的工作原理如图6所示。它以一小时为周期连续显示每个地区的相关信息。系统的结果通过网站或移动应用程序呈现给最终用户，如图7所示，除了从我们的节点接收的信息之外，建议的应用程序还使用当前的一些信息作为天气条件。拥有这些综合信息的最终用户将准备好农田的种植、收获和施肥。这种对农场的一般看法，将使农民意识到对土地变化的准确理解，这是以前传统上使用和提供的实验知识。在这样的系统中，技术将以最低的成本提供有用的信息。第一次启动该系统对农民来说可能成本很高，但随着时间的推移，随着生产率的提高，这一成本将被抵消。这项工作是自动完成的，农民监控自己的土地，做出一些决定，并通过农场或我们地区附近的自动设备应用这些决定。

图6. 数据来自Arduino

该系统为农民提供了极大的便利，他们可以拥有越来越高效的产品、高效的用水和能源管理、时间和不必要的经典成本。所有这些都是农民受欢迎的原因之一。实现的图形用户界面具有用户友好的界面，因此用户可以从各种方式中受益。在这个系统中，我们试图拥有一个简单易懂的图形用户界面。该系统将每小时更新信息，并提供每个地区的信息历史。

图7. GUI快照

1. 结果和评价

物联网在我们生活中的重要性日益增加。在这方面有多种应用。因为这些方法受到WSN技术的启发，它们也可以用来区分不同的算法和软件方法。它们在各种应用中更有用，因此其中之一是农业领域。在当今世界，人们开始使用智能设备和系统；感谢这些系统，他们有一个聪明的助手。本文提出了一种帮助农民正确管理农业灌溉时间的体系结构。结果表明，该方法在资源消耗方面是有效的。作为一个应用程序的系统的结果可以给它的用户带来巨大的好处。在这种应用中，用户可以直接将自己的土地分成任意多个区域。因此，用户将节省他们的时间和水。此外，该应用程序是可靠的，因为它从中央站即时提供天气信息。

1. 未来和工作

总的来说，水问题和灌溉方法在有效用水和提高生产率方面发挥着重要作用。因此，减少用水量有助于小农经济。此外，农民关于未来几天天气状况的信息有助于做出更准确的决策。在本项目中，我们使用物联网和WSN技术来实现这一目标。除此之外，施肥、收获和种植也和灌溉一样重要。因此，通过这种方法，农民可以安排他/她下一次即将到来的活动。关于未来的工作，我们将在农场的数据收集和处理阶段使用基于强化学习的系统，为农民提供更有用的关于农场正常活动的建议。此外，可以从自耕农那里收集一些数据。

因为未来的工作可以为各种基于物联网的应用设计不同的混合架构。它可以通过基于软件和硬件的方法来实现。此外，可以建议使用基于机器学习的

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