基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙立新

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息傳媒學(xué)院，河南 三門峽 472000)

近年來，由于氣候變化，水資源短缺和土地資源減少，人類可持續(xù)發(fā)展正日益受到威脅[1-3].傳統(tǒng)的澆水或施肥方法來源于經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)依據(jù)，造成水或土壤的浪費(fèi)惡化，因此土地和水資源的可持續(xù)地利用變得至關(guān)重要.近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)，集成傳感器技術(shù)，無線通信技術(shù)，嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息管理技術(shù)，一直在快速發(fā)展[4,5].隨著無線技術(shù)的發(fā)展，各種小型化設(shè)備和傳感器已經(jīng)在PC外圍設(shè)備、家庭自動(dòng)化、家庭安全、個(gè)人醫(yī)療保健、游戲、工業(yè)控制和監(jiān)控、資產(chǎn)和庫存跟蹤以及智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[6-8].

農(nóng)業(yè)溫室可以被認(rèn)為是一種人工解決方案，通過人為模擬一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，來種植各種農(nóng)作物[9,10].然而，溫室所能覆蓋的農(nóng)田畢竟是有限的，我們需要一個(gè)強(qiáng)大的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以放置在實(shí)際農(nóng)田中，通過監(jiān)控系統(tǒng)抵御環(huán)境干擾.本文提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)田部署傳感器節(jié)點(diǎn)，可以收集實(shí)時(shí)農(nóng)田信息并通過電腦或手機(jī)傳送給給農(nóng)民，這樣農(nóng)民就可以了解農(nóng)作物的實(shí)時(shí)情況，并決定是否澆水或施肥.

1 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分為兩部分：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)機(jī)是監(jiān)測(cè)特色農(nóng)業(yè)的需要產(chǎn)品，例如蘋果，獼猴桃，甜瓜，番茄等，它監(jiān)測(cè)周圍的環(huán)境環(huán)境因子與土壤肥力和土壤肥力的關(guān)系分析數(shù)據(jù)，為作物提供良好的環(huán)境與人為干預(yù).通過對(duì)作物生長的研究，我們知道不同作物對(duì)環(huán)境因素有不同的要求，即空氣溫度和濕度，土壤溫度和水分，二氧化碳濃度，光照強(qiáng)度等，在不同的生長期.我們以蘋果樹為例.合適的蘋果樹的溫度范圍為13～25 ℃，和土壤含水量大于11%.有了這些標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，農(nóng)民可以自動(dòng)改變水分并為需要的農(nóng)田澆水以避免浪費(fèi)水資源.當(dāng)然，通過檢測(cè)環(huán)境因素，我們還可以防止蘋果樹的害蟲.例如，蘋果蛀蟲大多出現(xiàn)在17 ℃的空氣溫度，19 ℃的溫度和更高的水分超過10%，以便在檢測(cè)到上述條件時(shí)我們會(huì)有作物除塵以抑制蘋果蛀蟲增長并保證樹的健康.基于WSN的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的要求功能主要可歸納為2點(diǎn)：

環(huán)境監(jiān)測(cè)器：我們?cè)诒O(jiān)控中部署了各種傳感器區(qū).管理員和用戶可以遠(yuǎn)程訪問實(shí)時(shí)信息.在檢測(cè)到異常情況時(shí)，系統(tǒng)可以通過發(fā)送警報(bào)消息給用戶一些有效的方法，例如發(fā)簡訊.

遙控器：收到實(shí)時(shí)條件后，管理員可以遠(yuǎn)程將設(shè)備打開或關(guān)閉在溫室中改變溫度或濕度.此外，還有一個(gè)性能要求注意到.精確農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種長期傳感，可用于連續(xù)應(yīng)用，精確農(nóng)業(yè)測(cè)量和農(nóng)業(yè)研究，所以我們應(yīng)該使系統(tǒng)的壽命盡可能長.

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

任何監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都有兩組主要組件，即用于收集數(shù)據(jù)的傳感器組件，以及對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回應(yīng)的執(zhí)行器組件.本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示.現(xiàn)在我們描述系統(tǒng)建筑，以及精確農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的細(xì)節(jié)系統(tǒng).精確農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括WSN，網(wǎng)關(guān)和通信服務(wù)器.我們部署了被監(jiān)測(cè)農(nóng)田中的節(jié)點(diǎn)，可以感知到作物的相關(guān)環(huán)境信息，例如溫度，濕度，光照和二氧化碳濃度等.

之后數(shù)據(jù)收集，節(jié)點(diǎn)將使用特定的數(shù)據(jù)打包數(shù)據(jù)協(xié)議和沿多跳路由發(fā)送包根節(jié)點(diǎn).然后，Root節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān).當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)提取保存在本地閃存中的有效信息，同時(shí)，網(wǎng)關(guān)通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到通信服務(wù)器.通信服務(wù)器處理數(shù)據(jù)然后存儲(chǔ)他們進(jìn)入農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫.然后管理員或用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)境條件通過評(píng)估數(shù)據(jù)庫監(jiān)測(cè)農(nóng)田或溫室.通訊服務(wù)器還具有短信報(bào)警功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)到各項(xiàng)數(shù)據(jù)超出我們?cè)O(shè)定或監(jiān)控的閾值時(shí)，將及時(shí)向用戶發(fā)送警報(bào)消息.此外，管理員也可以遠(yuǎn)程控制排氣扇或灌溉設(shè)備達(dá)到監(jiān)測(cè)作物生長的目的.

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

NPUMote是開發(fā)的農(nóng)業(yè)傳感器節(jié)點(diǎn)部署在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中并感知環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域.我們使用8位高性能微控制器Atmega128L作為微控制器單元.我們選擇這該控制器有兩個(gè)原因，一個(gè)是Atmega128L采用的RISC技術(shù)具有很高的計(jì)算能力性能.另一個(gè)原因是經(jīng)過驗(yàn)證的開源開發(fā)軟件并由TinyOS提供支持.同樣，我們也選擇AT86RF230作為射頻芯片和AT45db041B作為內(nèi)存，都很好由TinyOS提供支持.在傳感器選擇方面，能夠快速響應(yīng)，抗干擾能力良好，低功耗的傳感器使我們的首選.所有的選擇是為了實(shí)現(xiàn)我們的高性能監(jiān)控系統(tǒng).遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原型基于TinyOS 2.1，使用了全球同步的責(zé)任循環(huán)機(jī)制節(jié)點(diǎn).在節(jié)點(diǎn)無線電的每個(gè)上電周期中，我們采用CTP協(xié)議收集感官數(shù)據(jù)，而修改信標(biāo)頻率以節(jié)省通信成本.來自Root節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳播可以控制節(jié)點(diǎn)的操作參數(shù)，例如傳輸功率，采樣頻率，占空比和占空比周期.傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 高效節(jié)能

覆蓋程度作為衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署的一個(gè)指標(biāo)，它一般定義為所有節(jié)點(diǎn)覆蓋的總面積與目標(biāo)區(qū)域總面積的比值.

(1)

其中C代表覆蓋程度，Ai表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的覆蓋面積，N代表節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，A表示整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的面積.

覆蓋均勻性標(biāo)準(zhǔn)差的值越小則覆蓋均勻性就越好.

(2)

(3)

式中U代表均勻性，N是節(jié)點(diǎn)總數(shù)目，Ki表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，Di,j表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與第j個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，Mi表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與其傳感范圍相交的所有節(jié)點(diǎn)的距離的平均值.

能量約束是一個(gè)限制的主要障礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的長期可持續(xù)性.對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線電通信消耗大部分能量，而接收和發(fā)射模式可比的電力消耗.遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一個(gè)長期的部署必須考慮改善能耗表現(xiàn).NPUMote使用兩節(jié)電池干電池來提供電力.長期部署是對(duì)電力的挑戰(zhàn).雖然我們?cè)诠?jié)點(diǎn)，電源中實(shí)現(xiàn)占空比機(jī)制消費(fèi)也是非最佳的.因此，我們提出了一個(gè)基于MATLAB的能量平衡數(shù)據(jù)聚合算法，來平衡每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量并延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期.這個(gè)程序基于自適應(yīng)蟻群算法，增加了一個(gè)靈感的能量因子，利用定向擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)平衡能量程序.雖然該算法可以延長我們的壽命系統(tǒng)，但它不是這項(xiàng)設(shè)計(jì)的初衷.設(shè)計(jì)基于剩余能量的循環(huán)機(jī)制有效的動(dòng)態(tài)任務(wù)，這是我們的未來研究方向.眾所周知，時(shí)間同步非常重要分布式系統(tǒng)，尤其是無線應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò).

3.2 信息管理

網(wǎng)關(guān)和通信服務(wù)器在管理系統(tǒng)中扮演媒體的角色.該網(wǎng)關(guān)通過RS-232將數(shù)據(jù)從接收器轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)TCP/IP到通信服務(wù)器，反之亦然.通信服務(wù)器為用戶提供服務(wù)管理員.最重要的是，用戶可以使用管理系統(tǒng)將設(shè)備遠(yuǎn)程控制放置在監(jiān)視農(nóng)田.

如上所述，網(wǎng)關(guān)和通信服務(wù)器提供系統(tǒng)中的信息路徑.監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中并向其他人提供服務(wù)應(yīng)用，例如網(wǎng)絡(luò)和智能診斷.智能診斷系可以判斷系統(tǒng)環(huán)境因素是否符合給定的閾值.一旦檢測(cè)到異常情況，就能迅速診斷出來并由系統(tǒng)將發(fā)送命令，包括接通或關(guān)閉灌溉設(shè)備，排氣扇等，以通信服務(wù)器然后傳輸?shù)绞鼙O(jiān)控的農(nóng)田溫室.Web服務(wù)提供在線查詢和管理功能.如果用戶想要改變檢測(cè)環(huán)境因素的閾值，必須通過遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證，然后發(fā)送命令改變參數(shù).我們面前還有另一個(gè)問題.遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)長期部署應(yīng)用程序，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)將更多隨著時(shí)間的推移.然后是數(shù)據(jù)庫的容量存儲(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的越來越少.如何處理歷史數(shù)據(jù)對(duì)于基于WSN的所有長期應(yīng)用程序來說都是一個(gè)大問題.

遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)，處理和呈現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的信息.數(shù)據(jù)不僅僅是感知還要控制和管理消息.最終用戶可能通過圖形用戶界面檢查系統(tǒng)狀態(tài)(GUI)可通過我們的網(wǎng)站訪問.用戶能夠觀察節(jié)點(diǎn)報(bào)告的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用戶能夠管理配備的設(shè)備在受監(jiān)控的地區(qū).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中將10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)及簇首布置在農(nóng)田中，各傳感器節(jié)點(diǎn)每小時(shí)進(jìn)行一次信息采集，并將該信息嵌入TinyOS數(shù)據(jù)包后發(fā)送到簇首.簇首每24 h將各傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到基站節(jié)點(diǎn)，并送至計(jì)算機(jī)中保存.試運(yùn)行期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)每天應(yīng)收數(shù)據(jù)包24個(gè).根據(jù)計(jì)算機(jī)最終接收到的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包數(shù)計(jì)算其數(shù)據(jù)包傳輸率，如式(4)所示.

(4)

式中：NR,pdr表示試運(yùn)行期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸率，Nr表示試運(yùn)行期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)實(shí)收正確數(shù)據(jù)包總數(shù)，Nt表示試運(yùn)行期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)應(yīng)收數(shù)據(jù)包總數(shù).各傳感器節(jié)點(diǎn)在試運(yùn)行期內(nèi)的數(shù)據(jù)包傳輸率如表1所示.由表1可以看出，系統(tǒng)整體運(yùn)行情況良好，8個(gè)節(jié)點(diǎn)中有7個(gè)的總體數(shù)據(jù)包傳輸率高于90%.

表1 試運(yùn)行期內(nèi)各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包正確傳輸率

5 結(jié) 論

提出了基于WSN的農(nóng)田遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過在農(nóng)田部署傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)控.在我們未來的工作中，我們將實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)目標(biāo)部署.有很多房間可以改善和完善傳感器網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控系統(tǒng)包括挑戰(zhàn)上文提到的.我們未來的研究將集中在能源上保存，數(shù)據(jù)融合和其他方向.