溫室WSN測控系統(tǒng)概述

李克偉 劉占云

摘要：與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡技術(shù)相比，作為新興的網(wǎng)絡技術(shù)一一無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，擁有許多傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術(shù)沒有的特點，例如攜帶方便，可以自由組網(wǎng)擴展，成本低等，因此，在溫室測控系統(tǒng)中，新興的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)逐漸取代了采用現(xiàn)場總線的傳統(tǒng)技術(shù)，成為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的前沿技術(shù)。文章介紹了溫室WSN （Wireless Sensor Network）測控系統(tǒng)模型，并針對時延與數(shù)據(jù)丟包率對測控系統(tǒng)造成的影響進行了分析。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）：溫室測控系統(tǒng)；時延：丟包率

建立在充分利用自然資源基礎(chǔ)上的溫室測控系統(tǒng)通過改變影響農(nóng)作物生長的光照、溫度等條件，優(yōu)化農(nóng)作物生長環(huán)境，促進農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量有所提高，增加溫室的經(jīng)濟效益。目前，隨著無線網(wǎng)絡技術(shù)的迅速發(fā)展，無線網(wǎng)絡技術(shù)在溫室測控系統(tǒng)中的應用已經(jīng)越來越重要。

1 典型的溫室測控系統(tǒng)模型

該系統(tǒng)模型的主要組成部分包括：監(jiān)控中心、傳感器以及控制設(shè)備等，其他還有一些傳輸檢測儀器，這些設(shè)備儀器主要是檢測控制溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、CO₂以及營養(yǎng)液：

（1）溫度控制：通過覆蓋薄膜太陽光的照射，溫度增加比較明顯。利用暖風機供暖就是利用功率比較大的暖風機將暖風導入到溫室中來增溫。還可以采取其他的方法給溫室增溫，例如管道加熱、增加內(nèi)保溫網(wǎng)等方法。如果需要給溫室降溫，則可以通過一些降溫設(shè)備來完成，例如在屋頂安裝噴淋系統(tǒng)、高壓噴霧系統(tǒng)，或者在溫室內(nèi)安裝濕簾風機，還可以通過改變溫室外遮蓋物的措施來實現(xiàn)。

（2）濕度控制：可以利用濕簾風機系統(tǒng)和高壓噴霧系統(tǒng)增加溫室的濕度。如果溫室的濕度太大，需要除濕，則可以通過自然通風或者用大型的吹風機增快空氣流動實現(xiàn)快速除濕的目的。

（3）光照控制：如果需要減少溫室的光照，可以在自然光照的溫室中利用反光膜、遮陽網(wǎng)等。當需要增加光照時，安裝高壓鈉燈或者熒光燈，在一定的時段進行照明。

（4） C0₂控制：利用C02施肥系統(tǒng)以及通風系統(tǒng)對溫室內(nèi)的CO₂濃度進行實時控制。

（5）營養(yǎng)液控制：這里主要是將營養(yǎng)液放入滴灌設(shè)備中，利用滴灌設(shè)施管道上的排出口進行灌溉。

從日本和歐洲很多國家的經(jīng)驗來看，溫控系統(tǒng)中運用較多的是現(xiàn)場總線控制技術(shù)，該技術(shù)使用時間較長，有著成熟的技術(shù)經(jīng)驗。圖1描述的就是基于CAN總線的溫室測控系統(tǒng)。單獨的空間內(nèi)，就像一個個小型溫室，可以使用CAN控制器，在通過線路相關(guān)的采集站點和調(diào)控站點進行數(shù)據(jù)的傳輸。一個個子系統(tǒng)通過分開的傳輸線路、控制器，給總控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收總控制中心的及時命令?？偪刂浦行目刂朴嬎銠C可與有網(wǎng)絡接連的遠程管理計算機相連，從而實現(xiàn)遠程系統(tǒng)維護，但這樣增加了溫室的整體成本，并不適合我國的國情。

2 溫室WSN測控系統(tǒng)模型

本文以農(nóng)業(yè)溫室為背景，綜合運用自動控制技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)以及設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)，充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和控制節(jié)點成本低、配置靈活、使用方便等優(yōu)勢，研究基于無線傳感器網(wǎng)絡的測控系統(tǒng)。

2.1 簡易溫室WSN測控系統(tǒng)

在溫室的測控區(qū)域中有許多無線網(wǎng)絡節(jié)點，每個節(jié)點都安裝有采集各種數(shù)據(jù)的傳感器，用來采集溫室中影響作物生長的自然條件的數(shù)據(jù)信息。通過設(shè)計合理的匯聚節(jié)點，將溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)及時通線網(wǎng)絡交換，并且保持上位機的及時通信，上位機的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)更新變得更加靈活，提高信息數(shù)據(jù)的傳輸、發(fā)送效率。在溫室內(nèi)，設(shè)計相應的無線控制節(jié)點與控制器，及時收集數(shù)據(jù)，并且下達給無線控制節(jié)點后，把相應的控制器打開，就可以對溫室進行實時測控，這樣便組成一個簡易的溫室WSN測控系統(tǒng)（見圖2）。

2.2 大型溫室WSN測控系統(tǒng)整體設(shè)計

目前，溫室技術(shù)相對有了比較大的發(fā)展，溫室建設(shè)也因市場化的要求規(guī)模越來越大，但由于無線網(wǎng)絡節(jié)點設(shè)備傳輸距離有所限制，還不能夠完全達到先進的、高標準的溫室建要求。在這種情況下，對其進行塊狀區(qū)域分割也是一種切實可行的辦法。在本文的設(shè)計中，把一個較大的溫室分割成幾個小塊獨立控制的區(qū)域，如圖3所示。需要注意的是，不能遺漏任何一個測繪區(qū)。注意測繪區(qū)中匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)的采集，并且和傳感器、控制節(jié)點等構(gòu)成了許多個相互獨立的子網(wǎng)，傳感器節(jié)點和控制節(jié)點通過標識符確定所隸屬的匯聚節(jié)點。所有的匯聚節(jié)點與傳感器節(jié)點及控制節(jié)點相互連接構(gòu)成了一個網(wǎng)，對溫室內(nèi)的溫度、適度、光照、空氣成分等各種數(shù)據(jù)進行動態(tài)采集和分析。利用分散在不同區(qū)域的匯聚節(jié)點和基站實現(xiàn)總體數(shù)據(jù)的大范圍控制?；矩撠熍c各部分的匯聚節(jié)點通信，通過管理所有匯聚節(jié)點來實現(xiàn)單個溫室的網(wǎng)絡化控制；監(jiān)控中心是多個溫室網(wǎng)絡集群的總控制臺，也是整個溫室網(wǎng)絡測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，負責整個系統(tǒng)的控制和管理。這樣，無線傳感器網(wǎng)絡測控區(qū)域通過各個基站與匯聚節(jié)點串聯(lián)在一起，使測控面積得到延伸，實現(xiàn)了溫室大型化、分區(qū)化管理。

2.3 溫室WSN測控系統(tǒng)工作原理

在溫室WSN測控網(wǎng)絡中，無線傳感節(jié)點負責采集、提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息；作為溫室測控系統(tǒng)的管理和驅(qū)動部分，控制節(jié)點用來接收上層發(fā)出的命令，然后發(fā)出指令從而優(yōu)化植物生長環(huán)境；匯聚節(jié)點是現(xiàn)場數(shù)據(jù)的匯集點與中轉(zhuǎn)站，負責管理前端設(shè)備，并且會對數(shù)據(jù)信息進行如數(shù)據(jù)融合等簡單的處理工作；基站是整個溫室的數(shù)據(jù)中心和控制中心，管理、調(diào)度匯聚節(jié)點；控制中心是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K點，是整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的決策者和命令發(fā)出者。

只有各組成部分協(xié)調(diào)合作才能完成一次完整的溫室WSN測控工作。首先，傳感器節(jié)點要保證采集到的濕度、溫度等狀態(tài)信息能夠?qū)崟r、準確地傳送到匯聚節(jié)點；其次，匯聚節(jié)點要經(jīng)過多跳后將各項數(shù)據(jù)傳送給基站，再由基站對數(shù)據(jù)進行處理；最后，將其發(fā)送到遠程監(jiān)控中心，并將收到的信息進行比對分析，將數(shù)據(jù)反映的各項問題作出指令，基站再將控制命令經(jīng)過一層層的傳輸發(fā)送到各個控制節(jié)點上，實現(xiàn)溫室WSN的自動控制。整個溫室測控過程如圖4所示。

3 時延與丟包特性

比較成熟、完整的溫室WSN測控系統(tǒng)不僅要有采集數(shù)據(jù)精準、成本低等特點，還應該有一定的容錯能力?；跓o線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的溫室WSN測控系統(tǒng)，出現(xiàn)時延現(xiàn)象與丟失數(shù)據(jù)包現(xiàn)象是避免不了的，所以，對測控系統(tǒng)的時延和丟包率的容忍程度的研究與分析就變得更加重要。

3.1 時延產(chǎn)生原因及種類

由于控制對象本身存在時滯，控制算法比較復雜，加上外界環(huán)境的干擾等，時延問題比較普遍地存在于溫室WSN測控系統(tǒng)中。

如圖5所示，將監(jiān)控系統(tǒng)的信息采樣周期為T，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給匯聚節(jié)點，數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)化所用的時間用τ₁表示；匯聚節(jié)點收到數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)給基站所用時間設(shè)為τ₂；基站將數(shù)據(jù)融合后發(fā)送給遠程的控制中心，這段時間設(shè)為τ₃；遠程監(jiān)控中心收到數(shù)據(jù)后，會對數(shù)據(jù)進行分析處理再回傳給基站，這一系列過程所用的時間設(shè)為τ₄；τ₅是基站把命令發(fā)給對應的匯聚節(jié)點所用的時間；匯聚節(jié)點將命令發(fā)送給控制節(jié)點的網(wǎng)絡時延設(shè)為τ₆；控制節(jié)點最終將命令發(fā)送給控制設(shè)備上，這些設(shè)備運轉(zhuǎn)所花時延設(shè)為τ₇。這樣，一個完整的WSN測控過程（設(shè)為第k次采樣）總時延：

τ（k）=τ₁（k）+τ₂（k）+τ₃（k）+τ₄（k）+τ₅（k）+τ₆（k）+τ₇（k） （2）

如今信息網(wǎng)絡技術(shù)飛速發(fā)展，測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息處理傳遞時間已經(jīng)非?？?，因此，τ₃，τ₄，τ₅，τ₇幾乎是可以忽略不計的。這樣，式（2）可簡化為：

τ（k）=τ₁（k）+τ₂（k）+τ₆（k）

（3）

由于測控系統(tǒng)中的各個設(shè)備都基本是固定的，τ₁，τ₂，τ₆又都是數(shù)據(jù)包在經(jīng)過無線傳感器網(wǎng)絡傳輸時產(chǎn)生的時延，因此，公式（3）中，τ₁（k），τ₂（k），τ₆（k），可以合并為τ（k）。

3.2 數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象

在測控系統(tǒng)中的信息采集、設(shè)備傳輸?shù)裙ぷ骰径际峭ㄟ^網(wǎng)絡完成的，這些設(shè)備在信息采集、傳輸數(shù)據(jù)時，不僅會出現(xiàn)網(wǎng)絡時延的情況，還會出現(xiàn)數(shù)據(jù)接收故障和數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。

在各種無線傳感器網(wǎng)絡測控系統(tǒng)中，能夠造成數(shù)據(jù)包丟失問題出現(xiàn)的大概有2種情況：（l）測控系統(tǒng)本身主動放棄接收數(shù)據(jù)包以達到某種保護目的。比如檢測系統(tǒng)在一個時間段內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)，就會忽略掉這個時段，直接接收下一個時間段的數(shù)據(jù)，這就確保了測控系統(tǒng)能夠?qū)崟r、有效地處理數(shù)據(jù)，提高測控系統(tǒng)的性能；（2）測控系統(tǒng)的某些設(shè)備本身就有缺陷，例如傳感器節(jié)點向匯聚節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)節(jié)點競爭失敗、數(shù)據(jù)碰撞、數(shù)據(jù)堵塞等情況，造成數(shù)據(jù)包傳輸故障或者丟失。數(shù)據(jù)包丟失的情況會降低整個測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

一個健全的無線傳感器網(wǎng)絡測控系統(tǒng)具有一定的容錯和自我恢復能力，但無線傳感器網(wǎng)絡本身的高丟包率的特點將對整個基于WSN的測控系統(tǒng)穩(wěn)定性造成一定的影響，也是目前無線傳感器網(wǎng)絡亟待解決的重點之一。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡在測控系統(tǒng)中的應用還處于探索階段，很多技術(shù)都不成熟，國內(nèi)外的眾多學者在這個領(lǐng)域的研究也只是為了保證并提高無線傳感器網(wǎng)絡的使用壽命和通信的準確率。由于無線網(wǎng)絡相對于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡系統(tǒng)時延更長，數(shù)據(jù)包丟失率也更高，測控系統(tǒng)穩(wěn)定性比較低，如果系統(tǒng)時延或數(shù)據(jù)包丟失率超過某一特定值，整個測控系統(tǒng)甚至都會癱瘓。今后，針對這方面的研究會越來越多，也會使溫室WSN測控系統(tǒng)更加成熟、穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文對新興的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)進行了詳細的分析，并對其設(shè)計以及在溫室中的應用作了清楚的說明?？傮w上通過使用該系統(tǒng)，能夠讓溫室控制系統(tǒng)實現(xiàn)平穩(wěn)工作，在不增加投資的情況下，節(jié)約設(shè)備系統(tǒng)的維護管理成本。同時，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的3層溫室測控系統(tǒng)模型，給大規(guī)模建設(shè)溫室提供了理論基礎(chǔ)。本文還針對影響溫室WSN測控系統(tǒng)穩(wěn)定性的2個重要因子——時延和丟包率進行了分析，為進一步的研究奠定了基礎(chǔ)。