基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的葡萄生長(zhǎng)環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李致遠(yuǎn)

摘要：本研究基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）技術(shù)開發(fā)了葡萄園生長(zhǎng)環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣和土壤溫濕度等信息的采集、傳輸和分析。該系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)處理和分析傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過不斷修正得到適合葡萄園的灌溉閾值及群體光合效率最優(yōu)條件，運(yùn)用模糊控制原理控制電磁閥進(jìn)行滴灌，以達(dá)到節(jié)能和增產(chǎn)保質(zhì)的要求。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）；葡萄；生長(zhǎng)環(huán)境；測(cè)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2016）11-0146-03

Abstract The vineyard growth environment measure and control system was developed based on wireless sensor networks （WSNs） to realize the collection， communication and analysis of informations such as atmosphere， soil temperature and humidity. This system used data mining technique to process and analyze the data collected by sensors， and obtained the irrigation threshold of vineyard and the optimal conditions for population photosynthetic efficiency through continuously modifying. It also used fuzzy control principle to control the electromagnetic valve for drip irrigation to achieve the requirements of saving energy， improving yield and guaranteeing quality.

Keywords Wireless sensor networks； Grape； Growth environment； Measurement and control system

農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的及時(shí)獲取是進(jìn)行現(xiàn)代化精準(zhǔn)管理的重要基礎(chǔ)，如何快速、有效地獲取農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)成為目前信息農(nóng)業(yè)研究的重要領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)具有對(duì)象多樣、地域廣闊、偏僻分散、遠(yuǎn)離都市社區(qū)、通信條件落后等特點(diǎn)，在很多情況下，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息的獲取更加困難。賀蘭山東麓以其獨(dú)特的地理、氣候和土壤優(yōu)勢(shì)，成為我國(guó)釀酒葡萄最佳種植區(qū)，是全國(guó)三大葡萄原產(chǎn)地域保護(hù)區(qū)之一，約有8萬公頃土地適宜發(fā)展葡萄種植，已成為張?jiān)?、王朝、長(zhǎng)城等國(guó)內(nèi)知名葡萄酒公司的優(yōu)質(zhì)原料生產(chǎn)基地[1]。實(shí)時(shí)對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，可以實(shí)現(xiàn)葡萄的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

葡萄園的胚基水分、溫濕度、日照度、CO2濃度都是影響葡萄生長(zhǎng)和果實(shí)質(zhì)量的重要環(huán)境因素[2]。本研究應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過布控大氣和土壤溫濕度等傳感器，利用2G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，建立了釀酒葡萄園環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)，根據(jù)葡萄的生長(zhǎng)環(huán)境需要，實(shí)時(shí)獲得環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制，對(duì)于提高釀酒葡萄及其葡萄酒質(zhì)量具有重要意義。

1 葡萄生長(zhǎng)環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)由測(cè)控中心主機(jī)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee協(xié)議[3，4]，由網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和各傳感器節(jié)點(diǎn)組成[5]，負(fù)責(zé)采集葡萄園胚基溫濕度等信息，并通過2G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綔y(cè)控中心主機(jī)。測(cè)控中心主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要任務(wù)是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析與管理，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果及時(shí)調(diào)整對(duì)葡萄園的監(jiān)測(cè)和管控。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

1.2 工作原理

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由中心測(cè)控主機(jī)通過2G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出數(shù)據(jù)采集信令[6]，網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)接到信令后，通過路由節(jié)點(diǎn)向下方傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息查詢報(bào)文，傳感器收到報(bào)文后，從睡眠狀態(tài)切換到工作狀態(tài)，開始采集數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)又通過路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送到全網(wǎng)總節(jié)點(diǎn)，全網(wǎng)總節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后啟動(dòng)確認(rèn)響應(yīng)[7，8]，而傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待下一次采集數(shù)據(jù)報(bào)文；同時(shí)全網(wǎng)總節(jié)點(diǎn)把接收到的數(shù)據(jù)通過2G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到測(cè)控中心主機(jī)，至此就完成了一輪數(shù)據(jù)的采集過程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，故傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)備應(yīng)支持ZigBee底層協(xié)議[4]。傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)由微處理器、傳感器模塊、無線收發(fā)器和電源模塊組成，但隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，集微處理器、傳感器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的集成片上系統(tǒng)（SOC）芯片已經(jīng)研制成功并已投入量產(chǎn)。SOC芯片體積小、可靠性高、易于上層設(shè)計(jì)、成本低、運(yùn)行速度快且功耗低，故本系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)采用支持溫度和濕度同時(shí)測(cè)量并可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的SOC芯片[9]。由于葡萄種植園多處于南北緯38～53°的溫帶地區(qū)，太陽有效輻射量較高，故采用太陽能電池作為電源，以節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目的。

2.1.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 路由節(jié)點(diǎn)的作用是連接全網(wǎng)總節(jié)點(diǎn)和下層的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，并且為拓?fù)潢P(guān)系里各上下層節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸選擇相應(yīng)的鏈路[11]，從而提高傳輸速度，減輕網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)冗余負(fù)荷，故與傳感器節(jié)點(diǎn)相比，路由節(jié)點(diǎn)只需微處理器與無線收發(fā)器適配即可實(shí)現(xiàn)。電源模塊依舊采用傳統(tǒng)的太陽能電池。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，并傳給測(cè)控中心主機(jī)，具有一定的運(yùn)算和分析處理性能。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)采用高通公司（Qualcomm）的“驍龍”處理器，其體積小，運(yùn)行速率快，并有較多的接口擴(kuò)展功能[12]。網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)還包括一個(gè)無線收發(fā)芯片和一個(gè)2G通信芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)路由節(jié)點(diǎn)和測(cè)控中心主機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。采用的2G通信芯片具有抗干擾性強(qiáng)、傳輸速率快、支持多數(shù)據(jù)庫(kù)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并通過RS-232串口與處理器相連，從而獲得更高的通信速率。為方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和移動(dòng)，設(shè)計(jì)采用USB接口的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，實(shí)現(xiàn)操作便捷、降低成本的目的。供電模塊仍采用太陽能電池，可同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的所有模塊進(jìn)行供電。網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 測(cè)控中心主機(jī)設(shè)計(jì)

測(cè)控中心負(fù)責(zé)收集來自全網(wǎng)總節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析和儲(chǔ)存，包括中心主機(jī)與2G網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)處理軟件的應(yīng)用。測(cè)控中心主機(jī)通過分配指定的IP地址使用DDN專線與2G網(wǎng)絡(luò)相連[5-8]。DDN專線可帶來較高的帶寬，能夠滿足葡萄園數(shù)據(jù)測(cè)控點(diǎn)增量傳輸?shù)念l譜需求。網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)經(jīng)2G模塊解碼并轉(zhuǎn)換成在公共網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，最終傳輸?shù)綔y(cè)控中心主機(jī)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的頻點(diǎn)和體量不大，耗費(fèi)的2G流量并不多，因此，利用2G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，無需考慮建立專網(wǎng)的高昂成本，只需一次性投資2G模塊及少量的2G信息費(fèi)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線、快捷高效的數(shù)據(jù)傳輸；而且2G技術(shù)已十分成熟，擁有完善的容錯(cuò)機(jī)制，傳輸穩(wěn)定性有保障。

3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的應(yīng)用軟件包括數(shù)據(jù)的監(jiān)控、管理和解析軟件。因測(cè)控中心與葡萄園有一定距離，軟件設(shè)計(jì)采用Browser/Server體系結(jié)構(gòu)，利用C++編程，設(shè)計(jì)監(jiān)聽綁定端口程序，該程序在鑒權(quán)客戶端接收網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)發(fā)出的鏈接請(qǐng)求后，下載數(shù)據(jù)并根據(jù)軟件協(xié)議完成自定義解析。采用開源的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)存儲(chǔ)收到的數(shù)據(jù)。在主機(jī)監(jiān)控界面能夠?qū)崿F(xiàn)歷史數(shù)據(jù)遍歷、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、預(yù)警狀態(tài)上報(bào)等功能。

鑒于測(cè)控中心主機(jī)與2G網(wǎng)絡(luò)通信容易實(shí)現(xiàn)，故主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)重心在于自身測(cè)控功能的模擬與應(yīng)用。其運(yùn)行程序設(shè)計(jì)如圖3。

4 應(yīng)用試驗(yàn)

將本文設(shè)計(jì)的無線葡萄生長(zhǎng)環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)于2015年在賀蘭山東麓的8公頃葡萄種植園中進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。由于傳感器價(jià)格高昂，為了保證整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域都在測(cè)控范圍內(nèi)，試驗(yàn)過程中，每666.7m2安裝一套傳感器，包括大氣和土壤溫、濕度傳感器、土壤電導(dǎo)率傳感器、光照傳感器、CO2傳感器和莖直徑變化測(cè)量傳感器，傳感器的監(jiān)測(cè)范圍是以節(jié)點(diǎn)為中心的圓，相鄰小區(qū)傳感器覆蓋范圍相接。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效提升了葡萄園的測(cè)控效率，每666.7m2產(chǎn)量提高22%，對(duì)比成本降低16%（按照系統(tǒng)損耗5年計(jì)算）。

5 小結(jié)

本文通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）技術(shù)的葡萄園生長(zhǎng)環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)對(duì)葡萄園的大氣和土壤溫濕度等信息進(jìn)行采集、傳輸和分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葡萄生長(zhǎng)的土壤和氣候環(huán)境，并根據(jù)葡萄生長(zhǎng)的適宜環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的葡萄。在賀蘭山東麓8公頃葡萄園中的應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的測(cè)控效率較高，其應(yīng)用可使每666.7m2葡萄產(chǎn)量提高22%，對(duì)比成本降低16%（按照系統(tǒng)損耗5年計(jì)算），說明該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用效果，為釀酒葡萄的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供了保障。

參 考 文 獻(xiàn)：

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