基于數(shù)據融合技術的花木盆景生產基地WSN設計

摘要：由于無線傳感器網絡（WSN）基本模塊生產廠家較多，在其二次應用開發(fā)中，通信協(xié)議和數(shù)據接口難以標準化，多傳感器部署多跳傳輸形成的數(shù)據冗余度和無謂能耗非常高。為此，在分析了花木盆景生產基地WSN開發(fā)背景、設計要點、難點以及XML DOM技術特點之后，闡述了采用跨平臺的XML DOM技術設計WSN數(shù)據采集和協(xié)議接口的意義和思路，提出了在多個層面采用不同級別數(shù)據融合技術的WSN系統(tǒng)實現(xiàn)策略。該方案可以提高WSN系統(tǒng)的運行質量。

關鍵詞：花木盆景；基地；無線傳感器網絡（WSN）；數(shù)據融合技術

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3420-03

目前，已在國內出現(xiàn)的很多無線傳感器網絡（Wireless sensor network，簡稱WSN）技術產品在物理層和鏈路層的核心技術規(guī)范、無線局域網數(shù)據采集定義表述、底層通信協(xié)議及接口、數(shù)據通信傳輸處理、異構網跨平臺互聯(lián)等方面尚無統(tǒng)一的業(yè)界標準，多傳感器相鄰部署及感知數(shù)據多跳傳輸產生的信息冗余度非常高。為此，在研究開發(fā)花木盆景生產基地WSN應用系統(tǒng)的過程中，在無線傳感器網絡系統(tǒng)數(shù)據采集、通信協(xié)議接口等環(huán)節(jié)采用跨平臺XML DOM技術的基礎上，在WSN系統(tǒng)多個層面分別采用了不同等級不同功能目標的數(shù)據融合技術，以解決WSN系統(tǒng)數(shù)據接口不一致、信息冗余度高、無線傳感器網絡能量約束等問題，從而提高WSN應用系統(tǒng)實際運行效果。

1 花木盆景生產基地WSN系統(tǒng)開發(fā)背景及實施意義

江蘇省南通地區(qū)如皋市是全國聞名的花木盆景之鄉(xiāng)和長壽古邑?；九杈爱a業(yè)經濟價值高，已成為如皋農民奔向富裕小康的主要經濟基礎?；九杈吧a大棚是否具備良好的遮陰、保暖、灌溉、補光等現(xiàn)代生產工藝條件，對花卉生產質量和產量影響很大。如皋花木產業(yè)規(guī)模化生產的紅掌、君子蘭、雀舌、蝴蝶蘭等中高檔花卉，生產周期和出棚季節(jié)性不同，需要分棚栽培，對溫度、濕度、光照度、透光性、土壤含水率、肥料成分、O2及CO2濃度等指標測控要求各不相同，僅靠傳統(tǒng)經驗和勞作方式難以穩(wěn)定花木生產質量和產量，花農勞動強度很大。為了實現(xiàn)“二化融合”，如皋花木大世界等不少企業(yè)開始與物聯(lián)網相關高校研究院所和有關企業(yè)合作，在花木生產及現(xiàn)場管理系統(tǒng)中引入以無線傳感器網絡技術為核心的計算機應用技術，逐步實現(xiàn)花木產業(yè)提質增效、花農增收，不斷提高農業(yè)現(xiàn)代化生產水平。

2 花木盆景生產基地WSN系統(tǒng)設計要點

2.1 典型的花木盆景大棚生產管理智能化模式

由圖1可知，正在開發(fā)完善中的花木盆景生產基地WSN系統(tǒng)是由大量低廉的靜止或移動的多種類型的無線傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式以自組織和多跳的方式構成無線網絡體系架構，并部署在監(jiān)測區(qū)域內。該WSN系統(tǒng)與PLC相關設備、高/低溫控制系統(tǒng)、大棚生產管理軟件系統(tǒng)等構成了花木盆景大棚智能化生產管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)智能花卉生產全過程中對大棚溫度、濕度、光照度、CO2濃度等重要參數(shù)的自動檢測、調節(jié)和控制。

該系統(tǒng)包含數(shù)據采集模塊、網絡傳輸協(xié)調模塊和控制管理模塊等基本功能模塊。其主要功能如下：網絡傳輸協(xié)調模塊負責組建、維護無線網絡，收集花木盆景生產基地WSN系統(tǒng)中的傳感器數(shù)據和輸出設備狀態(tài)數(shù)據，并將數(shù)據傳輸給監(jiān)控軟件，接收監(jiān)控軟件的控制指令并將指令發(fā)送到無線網絡中（圖2）；生產數(shù)據采集模塊負責采集相應傳感器數(shù)據，轉換處理組幀后發(fā)送到無線網絡中；控制管理模塊負責接收無線網絡中相應的控制指令，經過指令分析形成輸出設備控制指令，并將WSN系統(tǒng)所有信息和數(shù)據定期發(fā)送到后臺Web服務器中，形成整個花木盆景生產基地高層管理和決策的輔助信息。

2.2 大棚WSN子系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)功能設計

感知設備有溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、紅外傳感器等，其中溫濕度傳感器實時監(jiān)測環(huán)境周圍的溫濕度數(shù)據；光照度傳感器實時監(jiān)測環(huán)境周圍的光照度數(shù)據；灌溉指示燈指示滴灌設備工作狀態(tài)；高低溫指示燈指示環(huán)境溫度狀態(tài)。

控制設備有滴灌指示設備、通風設備、供暖設備、花木養(yǎng)分水灌溉設備、高低溫指示設備、卷簾設備等。其中，供暖設備實時監(jiān)測和控制環(huán)境中溫度和濕度的狀態(tài)；通風設備實時監(jiān)測和控制環(huán)境中溫度和濕度的狀態(tài)，控制肥水灌溉；花木養(yǎng)分水灌溉設備根據需要對養(yǎng)分營養(yǎng)水成分、pH和EC值進行綜合調控，根據花木生長對基培和土培區(qū)栽培的工藝要求，設定土壤基質、土壤水勢，自動調節(jié)滴灌、噴灌系統(tǒng)的灌溉時間和次數(shù)等。

數(shù)據采集軟件系統(tǒng)實時采集并顯示各傳感器數(shù)據的相關信息（圖3）。界面中以列表的形式顯示所有傳感器的名稱及ID號、采集時間、實時監(jiān)測數(shù)據和計量單位；可以按序自動顯示或任意手動點擊某個傳感器圖標，即彈出該傳感器的數(shù)據曲線窗口。在該曲線窗口中可按所設條件隨機查看大棚內相應傳感器監(jiān)測對象的數(shù)據變化。大棚智能灌溉調節(jié)軟件系統(tǒng)可作濕度閾值設置、灌溉過程控制和相關背景數(shù)據曲線分析，實現(xiàn)以WSN應用技術為基礎的花卉生產灌溉自動化的功能。

其他環(huán)節(jié)如光照調節(jié)、氣體與通風調節(jié)等及其功能不在此一一敘述。

2.3 花木盆景生產基地WSN系統(tǒng)設計難點分析

由于如皋花木大世界園區(qū)內外相鄰花木生產企業(yè)較多，這些企業(yè)的WSN系統(tǒng)解決方案、數(shù)據采集方法定義和網絡傳輸技術接口差異較大。即使是在同一個企業(yè)，由于不同花卉產品生產大棚相鄰很近，要檢測、采集和控制的溫度、濕度、光照度、CO2濃度、O2濃度、N2濃度等生產工藝參數(shù)和觀測指標種類繁多，基礎數(shù)據量本身就很大，而由于WSN系統(tǒng)內部各相鄰節(jié)點數(shù)據多跳傳輸特性可能產生的無效派生數(shù)據量更大，信息冗余度非常高，傳感器節(jié)點有限的能源消耗速度極快，WSN系統(tǒng)魯棒性非常低。企業(yè)WSN系統(tǒng)底層通信協(xié)議接口困難，園區(qū)企業(yè)信息共享難，這會對最終建成高效運行的如皋智能花木大世界造成困難。因此，在設計和完善花木盆景生產基地WSN系統(tǒng)總體設計方案時，要在數(shù)據采集、通信協(xié)議與信息處理模式等環(huán)節(jié)統(tǒng)一采用XML DOM 技術的基礎上，在無線傳感器網絡終端節(jié)點（感知層）、節(jié)點子網中間處理層、節(jié)點網網關（網絡層）及B/S或C/S服務器端（應用層）數(shù)據處理等層面分別采用不同等級和不同功能目標的WSN數(shù)據融合技術，以解決園區(qū)WSN系統(tǒng)數(shù)據接口不一致、無線傳感器網絡能量約束、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題。

3 基于XML DOM的WSN數(shù)據融合技術及應用

3.1 XML DOM技術概述

XML DOM即文檔對象模型，它把XML文檔視為一種樹結構[1]，由若干個代表XML文檔中不同部分的程序對象組成，這些對象具有屬于自己的屬性和方法，綁定封裝了對XML文檔進行操縱的多個API，可以跨平臺，獨立于計算機軟硬系統(tǒng)，與任意編程語言（例如Java、C++、C#）一起使用?？梢员闅v訪問XML DOM這棵樹上的所有節(jié)點。XML DOM遍歷、讀取XML文檔結構和內容的主要對象與方法有3種，分別如下。

①DOMDocument。該對象是XML DOM的最高級對象[1]，提供了使用XML文檔所需的所有基礎方法，可用來創(chuàng)建、添加、刪除、替換（或者其他操作）DOM文檔中的節(jié)點。正是這些功能使得DOM具有真正意義上的動態(tài)性，使得采用XML DOM技術對傳感器網絡節(jié)點信息建立結構化文檔并加以管理操縱成為可能。

3.2 WSN數(shù)據融合技術的意義及實現(xiàn)方法

無線傳感器節(jié)點主要以電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，一次部署終身使用。由于無線傳感器節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域內的相互交叉重疊覆蓋是不可避免的，這導致相臨近節(jié)點所采集、上傳的原始數(shù)據信息本身就存在著相當程度的冗余，有相當一部分的能量被用于無意義的不必要的數(shù)據傳輸。如果相臨區(qū)域多個WSN子系統(tǒng)之間所定義的源信息文檔系統(tǒng)相互不兼容，或者ZIGBEE通信協(xié)議描述不一致，或者各個節(jié)點單獨地直接遠距離傳送數(shù)據到匯聚節(jié)點，則會進一步加劇消耗網絡資源尤其是不可再生的節(jié)點能源[2]。因此，盡量節(jié)省傳感器工作中消耗的能源、延長節(jié)點生命周期，是無線傳感器網絡應用設計中必須采用數(shù)據融合技術的根本原因之一。

數(shù)據融合又被稱作信息融合[2]，是一種多源信息處理技術，它通過對來自同一區(qū)域的多源數(shù)據進行優(yōu)化合成，獲得更精確、更完整的結果?；赬ML DOM的數(shù)據融合正是建立在以數(shù)據為中心的多源信息處理技術基礎上，充分利用節(jié)點計算資源和存儲資源，盡可能地減少網絡資源消耗。

根據對傳感器數(shù)據的操作級別，可基于XML DOM方法在3個層面上實現(xiàn)數(shù)據融合：①數(shù)據級融合[3]。這是面向無線傳感網最底層數(shù)據的融合，操作對象是WSN前置傳感器節(jié)點采集得到的數(shù)據。②特征級融合。特征級融合通過一些特征提取手段將XML結構樹上的數(shù)據表示為一系列的特征向量，來反映事物的共有屬性。③決策級融合。根據應用需求，依據特征級數(shù)據融合分析結果進行較高級的決策。這是最高級的融合。

數(shù)據融合的主要方法有綜合平均法、卡爾曼濾波法等[4]。其中，LEACH算法比較適合中小規(guī)模WSN數(shù)據融合方法，即在WSN中通過某種方式在傳感器節(jié)點群隨機遴選出簇頭節(jié)點負責廣播信息，其余節(jié)點選擇附近信號最強的簇頭加入，從而形成不同的節(jié)點簇群。簇頭節(jié)點之間再構成更高層骨干節(jié)點網，簇內底層節(jié)點在XML DOM 模式下將處理好的數(shù)據傳輸給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點再向上一級簇頭節(jié)點傳輸，直至匯聚節(jié)點。XML DOM結構樹上的每一層數(shù)據在傳輸前都必須作數(shù)據融合處理。這種方式大大減少了全網數(shù)據傳輸總量，減少了不必要的鏈路維護，減少了節(jié)點間的干擾，降低了全網發(fā)送總功率，達到了延長網絡壽命的目的。

3.3 基于XML DOM的WSN數(shù)據融合策略

遵循XML DOM范式建立XML DOM結構樹，對來自同一監(jiān)測區(qū)域的多源多跳傳輸感測數(shù)據統(tǒng)一按XML結構化的標準文本格式進行檢測、描述、數(shù)據關聯(lián)、估計，消除噪聲與干擾，將經過本地融合處理后有用的數(shù)據路由傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。有關測試數(shù)據表明，如果現(xiàn)場傳感器節(jié)點把N個相等長度的感知數(shù)據分組融合成1個等長的合并數(shù)據并輸出，則只需消耗不進行融合時系統(tǒng)所消耗能量的1/N即可完成數(shù)據傳輸，這樣就有效地實現(xiàn)了協(xié)同與信息優(yōu)化合成，大大降低了整個WSN網絡上傳輸?shù)臒o意義的數(shù)據流量，減少了巨大的能量消耗，提高了數(shù)據采集和處理的效率，增強了系統(tǒng)的可靠性。

4 小結

無線傳感器網絡應用技術在社會主義新農村建設進程中有著十分廣泛的應用前景[5]。以花木盆景生產基地WSN應用系統(tǒng)開發(fā)為例，在跨平臺的XML DOM 技術的基礎上，對涉農行業(yè)WSN應用系統(tǒng)數(shù)據融合技術作了初步的研究和實踐探索，對今后開發(fā)“農村水產品智能養(yǎng)殖系統(tǒng)”、“農資智能物流/智慧商業(yè)零售系統(tǒng)”等無線傳感器網絡/RFID應用系統(tǒng)有著一定的參考借鑒作用。

參考文獻：

[1] 王占中.XML技術教程[M].成都：西南財經大學出版社，2011.

[2] 張春江，裘曉峰，夏海輪，等.物聯(lián)網技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3] 孫利民，李建中，陳 渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2008.

[4] 崔遜學，左從菊.無線傳感器網絡簡明教程[M].北京：清華大學出版社，2011.

[5] 李可學.高職院校物聯(lián)網應用工程專業(yè)建設若干關鍵節(jié)點淺析[J].福建電腦，2010（11）：199-203.