摘要：当前农业用传感器以有线连接方式为主，其传输距离短，检测范围小。无线传感器有WiFi和4G连接方式，它们实际使用存在抗干扰能力差及大规模使用成本高的问题。针对农业用传感器实际应用存在的问题，开发了一种采用新型无线连接、组网的分布式智能传感器系统。采用MESH组网技术，每个传感器就是网络中的节点，每个节点既是数据采集终端又是中继路由，利用中继路由功能连接主协调器；通过MODBUS工业协议将传感器数据传输格式规范化，极大提升数据传输的准确性。设计的无线连接组网分布式智能传感器系统使传感器实现分布式、远距离、快组网进行数据采集，可有效推进农业传感器的大范围使用，对助力农业科学种植具有实用价值。

　　关键词：MESH网络,分布式,智能传感器,应用

　　2023年2月13日，《中*中*、国*院关于做好2023年全面推进乡村振兴重点工作的意见》发布，这是21世纪以来第20个指导“三农”工作的中央一号文件。文件指出：要“加强农业基础设施建设、强化农业科技和装备支撑、巩固拓展脱贫攻坚成果”。当前农业用环境监测传感器绝大多数都是采用有线连接的方式，少数采用ISM频段无线传输或4 G传输方式。有线传感器传输距离短、覆盖范围小、接入系统慢；采用ISM频段的无线传感器抗干扰能力弱、实用性较差；采用4 G方式的无线传感器虽然传输范围广，但大规模使用成本高，这就导致在农作物生产的环境监测环节，农民只将传感器作为辅助，更多还是依靠人工判断。这造成了当前农业生产的人力成本增加、农业智能化水平较低、种植管理效率低的现状普遍存在[1,2]。

　　因此，在规模性种植的农企和农场，对能够多点布局、远距离采集传输的环境传感器有很大的需求空间，这完全符合未来农业大数据采集的关键基础性设备的发展趋势[3]。通过走访调研区域相关企业和农场确定需求，通过查阅大量资料制定多项解决方案，最终确立了基于MASH网络实现分布式智能传感器的实施方案[4]。该方案的原型机已完成制作，并在农场及大型温室中完成了功能验证。经验证其状态稳定、覆盖广泛，完全胜任规模性农业种植的环境数据采集工作，为打通现代农业大数据采集的“最后一公里”提供了实用有效的智能装备支撑。

　　1.传感技术应用现状分析

　　1.1有效采集面积与传感器分布的关系

　　玻璃温室的跨度有12m、10.8m、9.6m，开间尺寸有8m、4m，温室总长=跨度×跨数，温室总宽=开间×开间数。通过调研多个农业示范园区，温室面积通常都在500平方米以上，露天水果种植的园区面积甚至达2000平方米以上。而农业用传感器有效监测范围一般为40平方米，则传感器按下图1所示的方式分布，才能实现温室环境的全面监测。

　　因此，在大规模农业种植时，要想实现对整个种植区的全面监测，必须要对传感器进行多点分布式布设。而每个传感器采集的数据必须上传到温室控制器中，此时传感器以什么方式上传数据最简单快捷，成为检验传感器是否实用的重要标准[5]。

　　1.2农业用传感器应用现状

　　1.2.1有线接入方式的传感器

　　这类传感器当前在农业生产中应用最为广泛，主要是通过多芯线缆以模拟量或标准通信协议的形式将监测数据传送至控制设备。受有线传输的干扰因素限制，一般只能安装在以控制设备为中心的15米范围内，有效监测范围有限。要想实现大面积温室内的多点布设，须加装控制箱，且每个控制箱都要拉接供电线，导致成本增加、系统冗杂。

　　1.2.2无线接入方式的传感器

　　目前传感器无线接入方式主要有WiFi、4 G。它们有的虽然支持无线接入，但却需要外部电源供电，没有完全无线就没有实用价值；WiFi连接距离短且需要架设路由器等附件，最主要是在西红柿等植株很高的作物温室中，由于遮挡使其信号衰减严重；4 G连接虽然信号覆盖广，但每个传感器成本很高，且每个月都要额外的套餐流量费用。以此看来，目前的无线传感器更适用庭院种植、家庭阳台种养等小规模种植场景的环境监测，对农业企业及家庭农场的实用性不强。

　　2.解决方案研究

　　2.1确定目标需求

　　通过对温室面积与传感器布局关系及传感器现状的研究，结合农业企业和农户使用需求关注点，分析总结出如下目标需求：严格控制成本。可以对原有传感器进行改造，且改造后的传感器传输方式能与原控制系统兼容。安装维护简单。可扦插或壁挂安装，方便及时快速调整部署；无须复杂配置及专业维护，防水耐高温，工作稳定。可远距离部署。采用的远距离无线通讯方式要满足前期研发成本低、无后续费用的要求。数据传输稳定。与原控制系统对接的中间环节少，防止干扰因素增加；尽可能采用标准工业传输协议将数据传送至现场温室控制设备。续航能力强。传感器至少在一季种植期内能连续稳定工作，设备功耗要低，以免影响农业生产。

　　2.2制定可行方案

　　通过查阅论文资料，制定了基于NB-LOT（图2（a））和基于MESH网络（图2（b））两种方案，从成本、传输稳定性、系统设计难度等方面进行综合对比，确定了基于MESH组网通讯的分布式智能传感器方案。

　　两种方案的综合对比如表1所示。

　　2.3技术方案论证

　　实现上述方案，关键在于实现MESH组网。MESH网络在“野战车组网联动”军事领域已经有比较成熟的应用，其最大特点就是自动路由及动态维护路由，网络中包含三种节点类型：Coordinator（主节点，协调器）、Routor（从节点，路由器）、End Device（从节点，终端节点）。如数据链路不能直接到达，会自动中继寻找新的路径。

　　国产MESH组网芯片已实现量产。利用国产1665 S芯片顺利实现了实验室MESH网络搭建，并得到企业人员的认可，为方案的顺利实施迈出关键一步。

　　3.样机实践验证

　　该设备工作时由一个数据收发器（MESH主协调器）和多个无线传感器（MESH从节点设备）构成环境监测系统。

　　3.1MESH主协调器—数据收发器

　　3.1.1功能介绍

　　数据收发器是联通控制设备与无线传感器的中间“桥梁”。它安装在温室控制箱内，与控制设备直连，控制设备将读取指令通过数据收发器发送至无线传感器；无线传感器再将应答信息通过数据收发器返回至控制设备中，经过程序解码即可获得环境参数。

　　3.1.2原理分析

　　通过在数据收发器中建立“透明传输”通讯机制，实现控制设备与传感器之间的数据以无线方式无差别交互，从而大大节省温室控制箱与传感器之间的线缆连接。

　　3.2MESH节点设备—无线传感器

　　3.2.1功能介绍

　　无线传感器主要作用有采集环境参数、通过MESH芯片与数据收发器通讯。为方便接入农企和农户原有传感器，内部划分为多个功能单元，光照度采集单元、温湿度采集单元、土壤参数采集单元、集中控制单元。

　　3.2.2原理分析

　　多功能单元设计可以模块化组装，且能将农企和农户原有的旧传感器加以利用。为支持后续功能按需定制，这里摒弃了目前市场上传感器普遍采用的单核心方案，采用了多MCU协同方案，即上述四个功能单元各由一个MCU独立实现，负责三个数据采集单元的MCU通过标准工业传输协议将采集的数据传送至集控单元的MCU，则集控单元的MCU即可通过MESH芯片将数据传送到数据收发器。

　　3.3相关技术及应用指标

　　通过现场测试验证及数据推算，汇总得到该传感器系统的具体技术指标，如表2所示。

　　4.结束语

　　将MESH组网技术引入农业传感器应用领域，实现了理论技术向实际应用的转化。采用多MCU协同方案对传感器进行模块单元化设计，并采用工业传输协议传输数据，提升了传感器工作的稳定性和对其他传感器的兼容性。该无线传感器汇集了农业种植需要的多种环境数据监测功能，且能根据用户实际需求进行功能组合。无线传感器组网方式灵活，每个终端既能作为采集终端又能作为自动路由中继，改变了其他无线传感器仅能直接与数据收发器通讯的模式。系统成本较低，易于推广，既能兼容原控制系统，又能接入原传感器，使得综合成本相较现有产品低30%，更容易被用户接受。安装使用方便，扦插或壁挂安装均可。续航能力完全满足种植要求，无须经常充电。

　　数据传输稳定不丢失。完全满足远距离多点分布条件，打通了农业大数据采集“最后一公里”。核心控制芯片全部国产，不仅成本低，更没有“缺芯”隐忧。

　   参考文献：

　　[1]张辉,李艳东,赵丽娜,等.基于无线Mesh网络的智慧农业大棚监控系统[J].现代电子技术,2016(16):71-74.

　　[2]李寒.基于物联网的智慧农业大棚控制系统设计[D].保定:河北大学,2021.

　　[3]周玉琴.设施农业技术类型及应用现状[J].世界热带农业信息,2021(01):20.

　　[4]张超.基于BLE Mesh的工业群联锁系统的设计[J].电子制作,2022,30(20):3-5,28.

　　[5]李双斌,王平,吕志华,等.基于Jetson Nano深度学习的新型农业系统[J].南方农机,2022(20):13-15.