趙立新

(三門峽職業(yè)技術(shù)學院 信息傳媒學院，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，缺乏科學依據(jù)，造成水或土壤的浪費惡化，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、家庭自動化、家庭安全、個人醫(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)溫室可以被認為是一種人工解決方案，通過人為模擬一個生態(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，我們需要一個強大的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以放置在實際農(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)田遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計.精準農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)田部署傳感器節(jié)點，可以收集實時農(nóng)田信息并通過電腦或手機傳送給給農(nóng)民，這樣農(nóng)民就可以了解農(nóng)作物的實時情況，并決定是否澆水或施肥.

1 遠程監(jiān)測系統(tǒng)的要求

整個監(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.精準農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的動機是監(jiān)測特色農(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).通過對作物生長的研究，我們知道不同作物對環(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%.有了這些標準參數(shù)，農(nóng)民可以自動改變水分并為需要的農(nóng)田澆水以避免浪費水資源.當然，通過檢測環(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%，以便在檢測到上述條件時我們會有作物除塵以抑制蘋果蛀蟲增長并保證樹的健康.基于WSN的遠程監(jiān)測系統(tǒng)方面的要求功能主要可歸納為2點：

環(huán)境監(jiān)測器：我們在監(jiān)控中部署了各種傳感器區(qū).管理員和用戶可以遠程訪問實時信息.在檢測到異常情況時，系統(tǒng)可以通過發(fā)送警報消息給用戶一些有效的方法，例如發(fā)簡訊.

遙控器：收到實時條件后，管理員可以遠程將設(shè)備打開或關(guān)閉在溫室中改變溫度或濕度.此外，還有一個性能要求注意到.精確農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(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 遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

任何監(jiān)測系統(tǒng)都有兩組主要組件，即用于收集數(shù)據(jù)的傳感器組件，以及對收集的數(shù)據(jù)進行回應(yīng)的執(zhí)行器組件.本文設(shè)計的遠程監(jiān)測系統(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)測的細節(jié)系統(tǒng).精確農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)包括WSN，網(wǎng)關(guān)和通信服務(wù)器.我們部署了被監(jiān)測農(nóng)田中的節(jié)點，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.然后，Root節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān).當接收數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關(guān)提取保存在本地閃存中的有效信息，同時，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)然后存儲他們進入農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫.然后管理員或用戶可以遠程監(jiān)控環(huán)境條件通過評估數(shù)據(jù)庫監(jiān)測農(nóng)田或溫室.通訊服務(wù)器還具有短信報警功能，當監(jiān)測到各項數(shù)據(jù)超出我們設(shè)定或監(jiān)控的閾值時，將及時向用戶發(fā)送警報消息.此外，管理員也可以遠程控制排氣扇或灌溉設(shè)備達到監(jiān)測作物生長的目的.

圖1 遠程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

NPUMote是開發(fā)的農(nóng)業(yè)傳感器節(jié)點部署在遠程監(jiān)測系統(tǒng)中并感知環(huán)境監(jiān)測區(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原因，一個是Atmega128L采用的RISC技術(shù)具有很高的計算能力性能.另一個原因是經(jīng)過驗證的開源開發(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現(xiàn)我們的高性能監(jiān)控系統(tǒng).遠程監(jiān)測系統(tǒng)原型基于TinyOS 2.1，使用了全球同步的責任循環(huán)機制節(jié)點.在節(jié)點無線電的每個上電周期中，我們采用CTP協(xié)議收集感官數(shù)據(jù)，而修改信標頻率以節(jié)省通信成本.來自Root節(jié)點的數(shù)據(jù)傳播可以控制節(jié)點的操作參數(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)點數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

3 遠程監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點

3.1 高效節(jié)能

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

(1)

其中C代表覆蓋程度，Ai表示第i個節(jié)點的覆蓋面積，N代表節(jié)點的數(shù)目，A表示整個目標區(qū)域的面積.

覆蓋均勻性標準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)點總數(shù)目，Ki表示第i個節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)，Di,j表示第i個節(jié)點與第j個節(jié)點之間的距離，Mi表示第i個節(jié)點與其傳感范圍相交的所有節(jié)點的距離的平均值.

能量約束是一個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.遠程監(jiān)測系統(tǒng)作為一個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.長期部署是對電力的挑戰(zhàn).雖然我們在節(jié)點，電源中實現(xiàn)占空比機制消費也是非最佳的.因此，我們提出了一個基于MATLAB的能量平衡數(shù)據(jù)聚合算法，來平衡每個節(jié)點的剩余能量并延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期.這個程序基于自適應(yīng)蟻群算法，增加了一個靈感的能量因子，利用定向擴散實現(xiàn)平衡能量程序.雖然該算法可以延長我們的壽命系統(tǒng)，但它不是這項設(shè)計的初衷.設(shè)計基于剩余能量的循環(huán)機制有效的動態(tài)任務(wù)，這是我們的未來研究方向.眾所周知，時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)控數(shù)據(jù)存儲在數(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環(huán)境因素的閾值，必須通過遠程監(jiān)測系統(tǒng)驗證，然后發(fā)送命令改變參數(shù).我們面前還有另一個問題.遠程監(jiān)測系統(tǒng)是一個長期部署應(yīng)用程序，監(jiān)控數(shù)據(jù)將更多隨著時間的推移.然后是數(shù)據(jù)庫的容量存儲監(jiān)控數(shù)據(jù)的越來越少.如何處理歷史數(shù)據(jù)對于基于WSN的所有長期應(yīng)用程序來說都是一個大問題.

遠程服務(wù)器存儲，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)點報告的實時數(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 實驗結(jié)果與分析

試驗中將10個傳感器節(jié)點及簇首布置在農(nóng)田中，各傳感器節(jié)點每小時進行一次信息采集，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)點的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到基站節(jié)點，并送至計算機中保存.試運行期內(nèi)各節(jié)點每天應(yīng)收數(shù)據(jù)包24個.根據(jù)計算機最終接收到的各節(jié)點數(shù)據(jù)包數(shù)計算其數(shù)據(jù)包傳輸率，如式(4)所示.

(4)

式中：NR,pdr表示試運行期內(nèi)各節(jié)點數(shù)據(jù)包傳輸率，Nr表示試運行期內(nèi)各節(jié)點實收正確數(shù)據(jù)包總數(shù)，Nt表示試運行期內(nèi)各節(jié)點應(yīng)收數(shù)據(jù)包總數(shù).各傳感器節(jié)點在試運行期內(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)整體運行情況良好，8個節(jié)點中有7個的總體數(shù)據(jù)包傳輸率高于90%.

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

5 結(jié) 論

提出了基于WSN的農(nóng)田遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，通過在農(nóng)田部署傳感器節(jié)點，實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)監(jiān)控.在我們未來的工作中，我們將實現(xiàn)長遠目標部署.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.