基于物聯(lián)網(wǎng)的茶葉種植監(jiān)測系統(tǒng)的研究

黃靜 田富國

摘 要：本文以物聯(lián)網(wǎng)為依托，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心技術(shù)，提出了茶葉種植系統(tǒng)的智能信息化管理，著重分析了該系統(tǒng)的主要實現(xiàn)功能，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并針對系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵技術(shù)和安全問題進行分析設(shè)計。該系統(tǒng)能在實際種植過程中實現(xiàn)智能監(jiān)控、提高種植效率并保證茶葉最佳的生長環(huán)境。為現(xiàn)代化種植茶葉提供了一種有效的方法，具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);無線傳感器網(wǎng)絡(luò);體系結(jié)構(gòu);關(guān)鍵技術(shù);安全問題

0 引言

福建省泉州市安溪縣是有名的鐵觀音生產(chǎn)基地，這里產(chǎn)茶、制茶歷史悠久，優(yōu)渥的自然條件，其制作出的鐵觀音茶葉遠銷海內(nèi)外，受到不同階段人們的喜愛。但是鐵觀音茶葉的種植和生產(chǎn)多集中在安溪縣一些偏遠鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村，多是靠茶農(nóng)憑經(jīng)驗種植茶葉，靠感覺來判斷是否該施肥、施藥、澆水，耗費了精力、物力與時間不說，往往還達不到預(yù)期的成果，甚至還會對破壞土壤，造成環(huán)境污染，不利于水土保持等問題。比如近年備受困擾的鐵觀音農(nóng)藥殘留問題，一度對鐵觀音的銷售產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，迫切需要引進信息化管理技術(shù)來提高種植效率的同時又能保證最佳的茶葉種植生長環(huán)境。

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things），顧名思義，就是物體與物體之間實現(xiàn)互聯(lián)，作為互聯(lián)網(wǎng)的衍生產(chǎn)物之一，近幾年物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展越來越迅速，相關(guān)技術(shù)也越來越成熟，是未來智慧城市的主要存在形態(tài)，收獲了各行各業(yè)的重視和關(guān)注。結(jié)合了射頻識別（RFID）、傳感器（Sensor）、嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）及云計算（Cloud Computing）等眾多技術(shù)[1]，其中由傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的核心部分。

本文從茶葉種植的實際出發(fā)，引進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的各類傳感器，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對茶葉種植過程中的遠程監(jiān)測和控制，實時獲取土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤PH值、CO2濃度等茶葉生長相關(guān)因素的數(shù)據(jù)參數(shù)，并及時進行自動澆水、自動光照、自動施肥等相應(yīng)操作，不僅可以提高鐵觀音茶葉種植的效率，還可以提升茶葉的質(zhì)量。

1 系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能

將各類型傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點間通過無線方式自組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，并確保監(jiān)控區(qū)域全覆蓋，從而實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域相關(guān)種植參數(shù)的實時監(jiān)控。整個茶葉種植監(jiān)測系統(tǒng)主要可實現(xiàn)以下功能。

1.1 遠程監(jiān)測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最后通過多網(wǎng)融合技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，在遠程監(jiān)控中心，用戶可以監(jiān)控并訪問整個傳感器網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測終端包括固定地點的PC監(jiān)測終端和可移動終端。固定終端是一個固定的監(jiān)控平臺，方便用戶在固定的工作地點進行長時間的監(jiān)測;移動終端通常通過將程序植入手機、ipad等可以隨身攜帶的電子設(shè)備，方便用戶隨時查看。

1.2 數(shù)據(jù)處理

在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)合理的部署不同類型的傳感器節(jié)點，使得可以準(zhǔn)確采集到茶葉生長過程中各類指標(biāo)的具體數(shù)值，并將數(shù)據(jù)適當(dāng)處理后發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)庫，用戶通過客戶端了解最新的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

1.3 網(wǎng)絡(luò)的生存期足夠長

根據(jù)茶葉的生長周期，大概為2～3個月，茶葉監(jiān)測系統(tǒng)至少需要保證運行一個周期以上[2]。在此過程中，所有節(jié)點都是通過自身電池供電，能量非常的有限，因此在保證網(wǎng)絡(luò)通暢的同時還要對每個節(jié)點的能量消耗進行適當(dāng)?shù)目刂?，盡可能的延長網(wǎng)絡(luò)的生命

周期。

2 茶葉種植監(jiān)測系統(tǒng)的框架

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測茶葉種植的特點

與傳統(tǒng)的茶葉種植所有都要通過人工、憑借經(jīng)驗的情況相比，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來對茶葉種植區(qū)進行監(jiān)測有以下幾個優(yōu)勢：①傳感器節(jié)點體積小、組網(wǎng)靈活，而且還是通過無線的方式，對種植區(qū)環(huán)境幾乎沒有影響;②傳感器網(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點都可以及時采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息、精確度好;③每個節(jié)點自身具有一定的信息存儲能力和數(shù)據(jù)分析能力，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)和相鄰節(jié)點取得聯(lián)系，可以對茶葉種植區(qū)實現(xiàn)復(fù)雜

監(jiān)控。

2.2 系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測茶葉種植系統(tǒng)從功能上可以劃分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層及遠程客戶端三層，采用的是典型的層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。最底層為數(shù)據(jù)采集層，部署著各種相關(guān)類型的傳感器節(jié)點，接著是無線網(wǎng)絡(luò)、基站，然后通過互聯(lián)網(wǎng)連接到遠程監(jiān)控中心，并接入客戶端用戶。

不同類型的傳感器節(jié)點收集周圍區(qū)域的相關(guān)參數(shù)信息。節(jié)點部署均勻密集，能夠確保覆蓋所有種植區(qū)域并獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù);每個傳感器節(jié)點通過自身的通信能力和數(shù)據(jù)分析能力，它們可以在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)采用分簇的形式自組網(wǎng)絡(luò)。首先選出若干個節(jié)點作為簇頭節(jié)點，這些節(jié)點負(fù)責(zé)將區(qū)域內(nèi)其他節(jié)點傳送給它的數(shù)據(jù)進行收集、整理。在簇頭與基站的通信過程中，協(xié)議引入網(wǎng)關(guān)gateway，即利用重疊區(qū)域的非簇頭節(jié)點將相鄰的簇頭連接起來形成一個多跳路徑，從而把采集到的相關(guān)參數(shù)信息由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站上?；緞t將所有數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)送達遠程監(jiān)控中心。遠程監(jiān)控中心提供遠程數(shù)據(jù)控制服務(wù)，對連入網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備提供數(shù)據(jù)訪問，或是向基站發(fā)出相應(yīng)操作命令。

3 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期

網(wǎng)絡(luò)的生命周期是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測茶葉種植系統(tǒng)的關(guān)鍵的技術(shù)之一。傳感器節(jié)點體積小、因為是由電池提供能量，所以能量有限，一旦出現(xiàn)供電不足的情況就會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，因此若與監(jiān)測區(qū)的每個節(jié)點都保持?jǐn)?shù)據(jù)的通信，則會消耗節(jié)點大量能量，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，維持網(wǎng)絡(luò)通暢的成本太高，在監(jiān)測系統(tǒng)中，如何合理分配能量，盡量延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期就顯得尤為重要。本監(jiān)測系統(tǒng)從以下三個方面來實現(xiàn)節(jié)點能量管理：

（1）對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行層次劃分，采用分簇組網(wǎng)方式，并在每個簇內(nèi)通過相應(yīng)的算法，選出一個節(jié)點作為簇頭。簇內(nèi)其他節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點負(fù)責(zé)將收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定處理后直接發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，這樣不僅減少了重復(fù)發(fā)送信息，造成信息冗余，而且還避免了信息發(fā)送時的大量能量損耗，延長傳感器節(jié)點的使用壽命。這樣節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，是延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的有效途徑之一。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渌惴ㄓ泻芏啵头执亟M網(wǎng)方式而言，層次型網(wǎng)絡(luò)的算法有LEACH[3，4]和HEED[5]自組織分簇算法、GAF[6]及改進的GAF[7]虛擬地理網(wǎng)格分簇算法以及TopDisc[8]等典型的拓?fù)淇刂扑惴ǎ鼈兏饔袃?yōu)劣之處。本系統(tǒng)設(shè)計將采用以LEACH算法為基點的基于可信度的簇間對跳LEACH算法——TEM-LEACH[9]。該算法不僅在對簇頭選取方面做了改進，不再隨機選取，而是將有較多剩余能量、可信度較高的節(jié)點成為簇頭的概率提高，而且采用多跳方式引入了一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點將信息發(fā)送至基站，這種拓?fù)渌惴ú粌H有利于降低網(wǎng)絡(luò)能量的整體消耗，而且在節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的過程中可以減少丟包率，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）對連入網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點采取定時喚醒機制。遠程控制中心用戶可以根據(jù)具體的天氣環(huán)境，通過基站對傳感器節(jié)點發(fā)送指令，設(shè)置節(jié)點采集數(shù)據(jù)的時間間隔。這樣未被喚醒的傳感器節(jié)點就進入休眠狀態(tài)，有利于節(jié)點能量的保存，減少浪費。

（3）采用多路徑路由方式。每個節(jié)點采集數(shù)據(jù)后，如果每次都按同一路徑多跳方式將數(shù)據(jù)傳送入簇頭節(jié)點，那路徑上的節(jié)點反復(fù)工作能量必然損耗過快，有可能會因為個別節(jié)點能量耗盡而使得全網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中斷。因此通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法，將節(jié)點能量低于某一個參數(shù)值的節(jié)點的暫時從路徑中排除出去，選取一個能量相對較高的節(jié)點來重新組成新的傳輸路徑，這樣網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的能量利用相對平均，也有利于延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3.2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性

監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測過程中最基本的就是要保證網(wǎng)絡(luò)的安全。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性可以從下方面來體現(xiàn)：

（1）安全路由

在茶葉種植監(jiān)測過程中，各種類型的傳感器節(jié)點距離較近，通過多跳傳輸?shù)姆绞讲粌H節(jié)省了能量，同時也避免了長距離的傳輸過程帶來的很多通信干擾。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實時的路由技術(shù)，使得當(dāng)一個傳感器節(jié)點遭到外界破壞，剩下的傳感器節(jié)點會及時重新組網(wǎng)，保證網(wǎng)絡(luò)通暢，數(shù)據(jù)能及時的傳輸給遠程客戶端，及時響應(yīng)異常。

（2）防止非法訪問

防火墻技術(shù)在防止非法訪問過程中起了很大的作用，其強大的3A功能使得TCP/IP協(xié)議和文件傳輸協(xié)議（FTP）的請求只有經(jīng)過認(rèn)證授權(quán)后才能和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進行通信。管理員可以制定用戶授權(quán)策略，決定用戶可以訪問哪些資源，能使用哪些命令。同時也可以決定有效的訪問地址，屏蔽無效地址的訪問。無線傳感器節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸采用量子密鑰技術(shù)，既有助于提高密鑰分配速率，還可以減少初始密鑰的長度，有利于安全傳輸數(shù)據(jù)。該技術(shù)采用的是有針對性的一次一密碼本的完全保密方法，可以保證數(shù)據(jù)通信安全，也可以為客戶提供安全服務(wù)，即使網(wǎng)絡(luò)遭到竊聽，竊聽者得到的信息也不準(zhǔn)確，有效阻止網(wǎng)絡(luò)遭到非法攻擊。

（3）防止信息丟失

數(shù)據(jù)信息的完整是網(wǎng)絡(luò)功能得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。傳感器節(jié)點不斷采集數(shù)據(jù)至基站，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)服務(wù)器，需要定期對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行冗余備份，提高網(wǎng)絡(luò)的容錯能力。雖然傳感器節(jié)點自身由電池供電，但是基站、遠程服務(wù)器、客戶端等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都必須由電源供電，為了防止突然停電影響設(shè)備工作而造成的數(shù)據(jù)丟失，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中必須配置不間斷電源（UPS），爭取時間降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響。

4 結(jié)束語

該研究針對茶葉種植，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的種植監(jiān)測系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能，建立系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)的生命周期、系統(tǒng)的安全性等關(guān)鍵技術(shù)進行了設(shè)計。基本上實現(xiàn)了利用傳感器網(wǎng)絡(luò)完成種植過程中重要相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，并進行相應(yīng)的設(shè)備控制。系統(tǒng)實現(xiàn)的人機服務(wù)界面操作簡單，用戶可以通過電腦或手機獲取最新的監(jiān)測信息和預(yù)警信息，在一定程度上實現(xiàn)了茶葉種植的智能控制，為今后茶葉種植系統(tǒng)進一步發(fā)展奠定了

基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]彭曉珊，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景的研究，《汕頭科技》，2010（01）：25-30.

[2]高峰，俞立，張文安等.基于作物水分脅迫聲發(fā)射技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精量灌溉系統(tǒng)的初步研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（1）：60-62.

[3]Heinzelman W R，ChandrakasanA，BalakrishnanH.An application specificprotocol architecture for wireless microsensor? networks[J].IEEE Trans actions onWireless Communi-cations，2002，1（4）：660-670.

[4]Heinzelman W R，ChandrakasanA，Balakrishnan H.Energy-efficienCommuni cation protocol for wireless microsensor networks [A].In：Proc.of the 33rd annual Hawaii Intl Conf.on System Sciences[C].Maui：IEEE Press 2000，3005-3014.

[5]Younis 0，F(xiàn)ahmy S.Distributed clustering in ad-hoc sensor networks：A hybrid，energy? efficient approach[J].In：Proc 13th Conf on IEEE Computer and Communications Societies（INFOCOM），March 2004.

[6]Xu Y，HeidemannJ，Estrin D.Geography-informed energy conservation for adhoc routing [A].In：Proc.of the 7th Annua1 Internationa1 Conference on Mobile Computing and Network-ing[C].Rome，Italy：ACM Press，2001，70-84.

[7]Santi P.Silence is golden with high probability：Maintaining a connected backbone in wireless sensor networks[J].In：1st European Workshop on Wireless Sensor Networks，Berlin，2004（01）.

[8]Deb B，Bhatnagar S，Nath B.A topology discovery algorithm for sensor networksWith applications to networkmanagement[EB/OL].http：//athos.rutgers.edu/dataman/papers/TopDisc.pdf.2001-5/2006-3.

[9]黃靜，基于可信度的簇間多跳LEACH算法——TEM-LEACH，《華僑大學(xué)學(xué)報》（自然科學(xué)版）2012，（05）.