基于WSN的稻田養(yǎng)魚基地環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)

丁霞軍　蔣曉丹

摘 要：通過系統(tǒng)硬件、軟件以及通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，在稻田養(yǎng)魚基地架構(gòu)了用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的WSN系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水稻和魚群生長(zhǎng)環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)采集與處理。并解決了系統(tǒng)在應(yīng)用過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)通信以及網(wǎng)絡(luò)使用上存在通訊不暢通、網(wǎng)絡(luò)生命周期會(huì)提前結(jié)束等問題，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；通信協(xié)議；能耗處理

中圖分類號(hào)：X17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）06-00-02

0 引 言

金魚養(yǎng)殖專業(yè)合作社的稻田養(yǎng)魚基地，主要是探索稻田示范養(yǎng)魚，通過改造稻田500畝，進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖。堅(jiān)持糧食不減產(chǎn)、不破壞稻田耕作層和減少農(nóng)藥化肥使用量為原則，充分利用稻田“一水兩用，一地兩收”的有效資源，堅(jiān)持把稻田漁業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收作為稻田養(yǎng)魚工作的重點(diǎn)，提高稻田漁業(yè)綜合生產(chǎn)能力，開辟漁業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，同時(shí)向市場(chǎng)提供優(yōu)質(zhì)綠色大米，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。而原先合作社在具體監(jiān)測(cè)水稻和魚群的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，包括空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度、水質(zhì)、pH值等都采用簡(jiǎn)單的儀表儀器和憑借管理者的目測(cè)或者經(jīng)驗(yàn)來判斷，既不科學(xué)，也很容易出錯(cuò)。因此，通過在稻田養(yǎng)魚基地架構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測(cè)和控制適宜水稻和魚群的生長(zhǎng)環(huán)境非常迫切。

系統(tǒng)主要是當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到協(xié)調(diào)器的詢問后，開始采集包括空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、pH值、水質(zhì)等在內(nèi)的環(huán)境傳感數(shù)據(jù)，經(jīng)節(jié)點(diǎn)匯聚進(jìn)行分類匯總后通過基站、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)等通信設(shè)施將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶終端，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

構(gòu)建了一個(gè)適用于稻田養(yǎng)魚基地環(huán)境監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，應(yīng)用基于WSN系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)稻田養(yǎng)魚基地內(nèi)水稻與魚群生長(zhǎng)環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)采集與處理。系統(tǒng)總架構(gòu)包括五層，分別是數(shù)據(jù)感知層、WSN網(wǎng)絡(luò)層、采集匯聚層、中央服務(wù)層以及應(yīng)用決策層，如圖2所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及上位PC機(jī)等。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到協(xié)調(diào)器的詢問后，開始采集包括溫度、濕度、光照度等在內(nèi)的環(huán)境傳感數(shù)據(jù)，通過匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類匯總后將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到用戶終端，實(shí)現(xiàn)用戶足不出戶，便可及時(shí)看到監(jiān)測(cè)環(huán)境的實(shí)時(shí)值及變化曲線，了解環(huán)境狀況。并且可以制定出相應(yīng)的最優(yōu)水稻種植和魚群養(yǎng)殖方案。

圖1 稻田養(yǎng)魚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 基于WSN的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是通過無線傳輸方式將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)送到其父節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)完成對(duì)傳感器和協(xié)議棧的初始化之后，再對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行初始化，尋找合適的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，得到確認(rèn)后，對(duì)是否接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的測(cè)控命令進(jìn)行選擇，如果接收到則對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和向網(wǎng)關(guān)發(fā)送，如果不是則進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待定時(shí)器喚醒。收到喚醒指令后，開始通過傳感器采集溫濕度信息，并將它上傳其父節(jié)點(diǎn)。如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程

（2）監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

通過傳輸通信接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并利用監(jiān)測(cè)軟件以數(shù)據(jù)和圖表的方式顯示出監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境信息，隨時(shí)在線查閱分析監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)便實(shí)用。軟件系統(tǒng)主要包含實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理兩部分。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要包括監(jiān)測(cè)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?shù)據(jù)管理部分包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)報(bào)警三塊，如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（3）數(shù)據(jù)傳輸控制

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸及流程：通過數(shù)據(jù)感知層的傳感器節(jié)點(diǎn)采集稻田養(yǎng)魚基地的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、水質(zhì)狀況以及pH值等參數(shù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示至監(jiān)測(cè)屏幕，同時(shí)通過系統(tǒng)來對(duì)稻田養(yǎng)魚生產(chǎn)環(huán)境的各種參數(shù)進(jìn)行控制，把數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)管理員或者其他用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，具體的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖

通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，合作社的負(fù)責(zé)人可以通過該系統(tǒng)掌握監(jiān)測(cè)區(qū)域的第一手資料，及時(shí)分析并制定出相應(yīng)環(huán)境解決方案。環(huán)境信息監(jiān)測(cè)涉及的范圍較廣，監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)主要包括空氣溫度濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度、水質(zhì)和pH值等。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過在稻田養(yǎng)魚基地架構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)基地水稻生長(zhǎng)環(huán)境和魚群生活環(huán)境的有效、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，該系統(tǒng)通過感知層、傳輸層和應(yīng)用層的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了稻田養(yǎng)魚的科學(xué)化、智能化，具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

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