基于數(shù)據(jù)融合算法的土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

郭蓉++楊平先++王晶

摘要：利用ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合的方式，構(gòu)建農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集土壤環(huán)境數(shù)據(jù)。為解決多傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)融合精度低的問題，提出了一種改進型的分批估計自適應(yīng)加權(quán)融合算法，首先對單個傳感節(jié)點一段時間內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)根據(jù)容許函數(shù)的閾值剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，然后對該傳感器的數(shù)據(jù)進行分批估計得出該節(jié)點某一段時間內(nèi)的最優(yōu)估計值，得到該區(qū)域所有傳感節(jié)點最優(yōu)估計值后，依據(jù)權(quán)值最優(yōu)分配原則對每組傳感器數(shù)據(jù)進行組內(nèi)自適應(yīng)加權(quán)融合，從而計算得到該時刻土壤的環(huán)境精確值。試驗驗證了系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，改進算法數(shù)據(jù)融合易于實現(xiàn)，融合值相對誤差值更低，穩(wěn)健性更好。

關(guān)鍵詞：土壤環(huán)境；數(shù)據(jù)融合；分批估計；自適應(yīng)加權(quán)

中圖分類號： TP274文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0419-04

收稿日期：2015-05-27

基金項目：人工智能四川省重點實驗室項目（編號：2011RYY02）。

作者簡介：郭蓉（1980—），女，重慶人，碩士研究生，講師，研究方向為數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理。E-mail：shoufa125@163.com。我國是一個地理條件復(fù)雜、地域廣闊、人口眾多的發(fā)展中農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟比較落后，生態(tài)基礎(chǔ)比較脆弱，承受災(zāi)害能力較弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常遭受災(zāi)害的侵?jǐn)_，特別是水資源匱乏。加上傳統(tǒng)灌溉方式對水資源的利用率低，干旱已對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了很大影響，對此，學(xué)者們作了大量研究。文獻[1]設(shè)計了一套基于ZigBee和WCDMA技術(shù)的農(nóng)田土壤遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，可對大區(qū)域農(nóng)田土壤溫度、濕度、pH值和電導(dǎo)率遠(yuǎn)程實時監(jiān)測和多終端可視化顯示；文獻[2]設(shè)計了一種遠(yuǎn)程土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)使用溫、濕度傳感器采集土壤墑情信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至計算機監(jiān)控中心；文獻[3]通過引入菲涅爾反射區(qū)域，結(jié)合仿真和實測土壤濕度數(shù)據(jù)、CPS觀測值開展對比研究，提出一種利用SNR觀測值進行GPS土壤濕度監(jiān)測的方法；文獻[4]設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息采集節(jié)點的自動部署和數(shù)據(jù)的自主傳輸。然而，目前大部分農(nóng)田信息采集系統(tǒng)重點都在于信息采集設(shè)備的開發(fā)和數(shù)據(jù)的傳輸，而對數(shù)據(jù)的處理關(guān)注較少，特別是針對土壤環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計和研究涉及較少[5-6]。因此，為了及時預(yù)測土壤干旱程度，加強農(nóng)田土壤旱情的監(jiān)測和預(yù)報，本研究結(jié)合ZigBee和GPRS技術(shù)設(shè)計土壤環(huán)境預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，為解決多傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)融合精度低的問題，提出了一種改進型的分批估計自適應(yīng)加權(quán)融合算法。

1土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分由底層無線數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位監(jiān)控模塊等組成，系統(tǒng)軟件的設(shè)計須要根據(jù)所采用的硬件器件決定。底層無線數(shù)據(jù)采集模塊是土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由 ZigBee 節(jié)點搭載溫濕度傳感器和光照度傳感器完成土壤數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測以及底層各節(jié)點設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信；數(shù)據(jù)傳輸模塊包括ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸和GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸兩部分。傳感器采集到數(shù)據(jù)后經(jīng)ZigBee終端節(jié)點發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，再通過S3C6410處理后經(jīng)GPSR模塊將信息傳給上位監(jiān)控模塊[7]。上位監(jiān)控模塊對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。通過上位監(jiān)控程序可隨時了解區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤的相關(guān)信息，土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

在底層無線數(shù)據(jù)采集模塊中，各節(jié)點設(shè)備通過ZigBee的自組網(wǎng)功能形成樹簇型無線傳感網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點設(shè)備根據(jù)功能不同分為終端節(jié)點、樹簇節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點。終端節(jié)點是帶有相應(yīng)傳感器的終端設(shè)備，主要負(fù)責(zé)采集土壤環(huán)境信息，為系統(tǒng)決策提供數(shù)據(jù)參考；樹簇節(jié)點不僅有終端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集功能，還有匯總轉(zhuǎn)發(fā)的路由功能；協(xié)調(diào)節(jié)點是整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，起著承上啟下的作用，對上實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，對下負(fù)責(zé)管理和維護整個無線網(wǎng)絡(luò)。

2土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1主控平臺

主控平臺的硬件分兩部分，即S3C6410處理器、256 M DDR SDRAM內(nèi)存和1 GB Nand Flash存儲器、時鐘和復(fù)位電路等重要部件構(gòu)成核心板，S3C6410采用ARM1176JZF-S的核，包含16 kB的指令數(shù)據(jù)Cache和16 kB的指令數(shù)據(jù)TCM，具有低成本、低功耗、高性能特點，并集成了豐富的接口；DDR SDRAM用于為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的運行提供存儲空間。NandFlash存儲器具有容量較大、改寫速度快等優(yōu)點，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲，其一部分空間用于保存啟動代碼和操作系統(tǒng)。在土壤干旱監(jiān)測系統(tǒng)中，主要設(shè)計底層無線采集模塊的硬件，目前GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊已成品化，本研究的系統(tǒng)直接采用市場成品，上位監(jiān)控模塊只需要1臺計算機作為監(jiān)控平臺即可。所以系統(tǒng)硬件的設(shè)計主要包括ZigBee終端節(jié)點、ZigBee樹簇節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點，而樹簇節(jié)點只是比終端節(jié)點多一路由功能，底層硬件無差別，為簡化工序，底層硬件

只設(shè)計ZigBee終端節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點。

2.2溫濕度傳感節(jié)點硬件設(shè)計

ZigBee無線通信模塊采用基于IEEE 802.15.4和ZigBee協(xié)議通信的CC2430芯片，它能以非常低的成本建立完善的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，CC2430以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機構(gòu)很高的認(rèn)可，它結(jié)合Chipcon公司全球先進的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計，展示領(lǐng)先的ZigBee解決方案。系統(tǒng)通過溫溫度傳感節(jié)點對土壤的溫濕度信息進行采集，模塊選用SHT11數(shù)字溫濕度傳感芯片，該芯片內(nèi)部集成溫度傳感器、濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器以及相應(yīng)的通信接口。SHT 11數(shù)字溫濕度傳感芯片具有溫濕度檢測精度高、抗復(fù)雜環(huán)境能力強、響應(yīng)時間快等特點，芯片采用I2C總線接口方式與外部芯片通信。CC2430芯片有21個可編程I/O引腳，系統(tǒng)設(shè)計時將P0.0和P0.1分別與SHT 11的SCK線和DATA線連接。SCK時鐘線負(fù)責(zé)與CC2430芯片的MCU保持通信同步，DATA 數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)傳輸采集到的數(shù)據(jù)。SHT11溫濕度傳感器芯片與CC2430芯片的連接電路如圖2。

2.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

GPRS提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于建立新的連接幾乎無需任何時間（即無需為每次數(shù)據(jù)的訪問建立呼叫連接），因而隨時都可與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，特別適用于間斷的、突發(fā)性的、頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)選用SIM900模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位監(jiān)控模塊之間的通信。SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。SIM900模塊通過串口UATR1與上位監(jiān)控模塊進行通信，通信速率設(shè)定為115 200 b/s。數(shù)據(jù)傳輸模塊通過AT指令對SIM900進行控制，完成相應(yīng)的功能。

4.1數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性測試

選取一號監(jiān)控點2014年10月20—24日采集到的土壤溫濕度值和光照度值來分析，系統(tǒng)測量值與經(jīng)精密儀器測量的實際值關(guān)系見表1。從表1中測量值與真實值的對比和誤差可看出，土壤溫度測量值與實際值誤差范圍為[-0.7，17]，土壤濕度測量值與實際值誤差范圍為[-0.3，0.4]，光照度測量值與實際值誤差范圍為[-5，4]，說明農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

4.2融合算法測試

選取一個土壤監(jiān)測區(qū)域（相對濕度基準(zhǔn)真實值為20%），分別以20、60、100節(jié)點對分批估計融合算法與改進型算法進行數(shù)據(jù)對比?？紤]到傳感器可能存在的零點漂移，本研究系統(tǒng)使用互不相關(guān)的零均值白噪聲模擬傳感器的觀測誤差，信噪比為0.1～1.0 dB（表2）。由表2可見，改進型分批估計自動適應(yīng)融合計算法的融合結(jié)果相對于算術(shù)平均法和分批估計融合算法更接近數(shù)據(jù)真值，其絕對誤差明顯小于算術(shù)平均值，這是因為算術(shù)平均值中具有無法避免的零點漂移以及仿真?zhèn)鞲衅髡`差造成的。分批估計融合算法相對于算術(shù)平均算法數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，但與本研究算法相比融合誤差相對較大，這是由于在采集數(shù)據(jù)融合之前沒有對初始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。綜上，本研究改進的分批估計自動適應(yīng)融合計算法在不同節(jié)點、不同信噪比的情況下都有較低的融合誤差。

5結(jié)論

本研究基于物聯(lián)網(wǎng)思想，采用ZigBee技術(shù)[9-10]和GPRS技術(shù)相結(jié)合的方式，構(gòu)建農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用溫濕度傳感器、光照傳感器實時采集農(nóng)田環(huán)境參數(shù)，使用GPRS通信技術(shù)進行農(nóng)田數(shù)據(jù)信息的傳輸。為了提高多無線傳感器數(shù)據(jù)融合低的缺點，本研究提出了一種改進型的分批估計自適應(yīng)加權(quán)融合算法，試驗驗證得出本研究構(gòu)建的農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)改進算法數(shù)據(jù)融合易于實現(xiàn)，融合值相對誤差值更低，穩(wěn)健性更好，系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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