基于物聯網的設施環境綜合參數測試系統

摘 要：針對目前設施環境監測的需求，設計開發了一套基于物聯網的設施環境綜合參數測試系統，該系統對設施環境內的各種環境參數進行實時監測，并通過GPRS與Internet網絡進行數據的異地觀測和處理。本文給出了系統的設計方案，闡述了基于ZigBee的無線傳感器網絡技術、GPRS技術和傳感器技術等物聯網技術。在介紹無線傳感器網絡節點的基礎上，對LEACH路由協議的原理進行了簡要說明。系統采用基于自適應加權的數據融合算法對采集的數據進行融合處理，獲得了更合理的數據融合效果。系統實現了對設施環境的實時監測、數據的無線傳輸以及各種環境參數報表查詢功能。試驗表明，系統工作性能穩定、功耗低、數據傳輸速率快且傳輸距離遠，各項指標均達到了設計要求，能較好地滿足設施環境監測的要求。

關鍵詞：物聯網；監測；LEACH路由協議；數據融合

中圖分類號：S126 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2013）11-0012-05

設施環境信息的及時獲取是進行現代化設施環境精準管理的重要基礎，如何快速、準確地獲取設施環境現場的各類環境數據成為目前各類設施環境研究的重點[1]。隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展，設施環境監控設備相繼問世，但這些設備仍采用有線連接的方式，存在現場安裝與布線繁瑣、設備移動性差、組網復雜、成本較高、甚至有些場合難以實現等缺陷。

近年來，無線傳感器技術[2]與無線通信技術迅猛發展。無線傳感器技術在農作物精確種植中廣泛應用，利用無線傳感器技術精確采集農業現場數據信息，實現農作物的精確管理[3]。本文設計了一套基于物聯網的設施環境綜合參數測試系統，利用物聯網技術[4]使用戶操作不受空間限制，延伸和擴展到遠程設施環境觀測點。用戶可根據精準管理和控制的需求，精確采集設施環境信息，在設施環境內組建一個可視化無線網絡系統，實現集中管理。

1 系統的結構與功能

系統融合了無線傳感器網絡技術、GPRS技術和傳感器技術等物聯網技術，系統總體網絡架構如圖1所示。

圖1 系統總體網絡架構圖

系統由信息采集部分（即物聯網的感知層）、信息傳輸部分（即物聯網的傳輸層）和監測中心部分（物聯網的應用層）組成。信息采集部分應用傳感器技術進行數據采集，實現設施內環境參數的檢測，采用基于ZigBee的無線傳感器網絡技術，組建設施環境內部網絡，各監測節點采集數據并通過路由節點向匯聚節點傳輸數據；信息傳輸部分采用GPRS技術進行數據傳輸，將數據發送到監測中心；監測中心即系統控制中心，它主要通過軟件平臺接收存儲來自網絡的數據，同時對數據進行分析處理，并將數據以圖表的形式顯示出來。

2 方法及實現

21 無線傳感器網絡節點設計

無線傳感器網絡節點由傳感器模塊、信號調理電路、AD轉換模塊、微處理器及能量供應系統組成，主要負責采集設施環境數據，并將這些數據轉換為數字信號，傳送給路由節點。無線傳感器網絡節點結構如圖2所示。

圖2 無線傳感器網絡節點結構圖

微處理器選用TI公司的CC2430芯片。該芯片是一種真正的系統芯片（SoC）CMOS解決方案，這種方案能夠提高系統性能并滿足ZigBee為基礎的24 GHz ISM波段應用，及對低成本、低功耗的要求。ZigBee技術是建立在IEEE802154國際標準上的一種自組織無線網絡技術，具有近距離、低功耗、低成本等特點[5]。傳感器節點的工作流程如下：傳感器模塊采集設施環境數據，經過信號調理電路處理和AD轉換后送到微處理器，微處理器對數據進行預處理，存入存儲器，同時將數據以一定的協議通過無線收發模塊發送給路由節點。

22 分簇拓撲結構

系統采用分簇拓撲機制實現設施環境監測網絡傳感器節點的組織，采用LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）算法[6]。LEACH算法是一種自適應分簇拓撲算法[7]，使用自適應成簇技術和簇頭節點的輪換技術。LEACH能夠較好地解決能量有效問題，整個傳感器網絡的使用壽命可以延長15%。它將所有的節點分為若干簇，每個簇選出一個節點作為簇頭，簇內其它節點作為成員。它的原理是周期性地選擇簇頭，把整個周期內所需要的能量負載均勻地分布給簇內每個傳感器節點上，其產生的拓撲結構如圖3所示。每個周期分為簇建立（Set-up Phase）和穩定數據通信（Steady-state Phase）兩個階段。簇建立階段主要為分簇結構的形成階段；穩定數據通信階段主要進行數據的穩定傳輸。在簇建立階段，相鄰節點動態地建立簇，然后在簇內產生簇頭。選舉哪個節點作為簇頭取決于網絡中所需簇頭的數目以及每個傳感器節點成為簇頭的次數。在穩定數據通信階段，簇內其它節點將數據發送給簇頭，簇頭對傳送來的數據進行預處理，然后將數據發送給匯聚節點。

23 數據傳輸部分設計

24 數據融合技術的應用

25 監測中心部分設計

監測中心的主要功能是對采集的數據進行整合、分析、處理和存儲。監測中心由數據接收與存儲單元、基于WEB的數據管理與應用單元組成。數據接收與存儲單元負責監聽指定端口，判斷并識別數據采集終端發出的連接請求，對數據進行校驗，如果通過校驗則存入數據庫。基于WEB的數據管理與應用單元采用ASPNET動態網頁技術，通過VS2010開發工具和C#等混合語言編程，采用B/S模式設計，用戶只需要登錄客戶端瀏覽器即可訪問此Web應用程序。用戶登錄訪問時，系統將讀取SQL Server數據庫的相關數據，實現數據的實時顯示、歷史查詢、數據下載和數據分析等綜合功能。

3 系統測試

為了驗證提出的系統方案的可行性和有效性，我們進行了測試試驗。將系統安裝在山東農業大學園藝試驗站6號溫室，試驗中部署有1個匯聚節點、6個路由節點和10個傳感器節點，所測量的環境參數包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照度、太陽輻射、CO2濃度等。傳感器節點隨機分布在各路由節點周圍，匯聚節點通過GPRS與Internet網絡相連。服務器上數據接收與存儲單元接收并存儲各環境參數。設置采集周期為10分鐘，試驗從2012年6月份開始并且仍在持續。

用戶通過瀏覽器能對數據進行瀏覽與分析，尤其可通過數據庫進行遠程調用和在線圖表分析，各種環境參數的變化及趨勢非常清楚地呈現在用戶面前（如圖6、圖7所示）。

4 結束語以物聯網為基礎，結合設施環境的復雜性，設計了基于物聯網的設施環境綜合參數測試系統，本文分別從系統的感知層、網絡層、應用層進行了分析。系統采用分簇拓撲機制實現了無線傳感器網絡節點的組織，延長了傳感器網絡的壽命。同時針對設施環境結構的復雜性和特殊性，系統采用了一種適用于設施環境的多傳感器自適應加權融合算法。系統經過一年連續、穩定、可靠的運行表明，其工作性能穩定、功耗低、數據傳輸速率快、距離遠，各項指標均達到了設計要求，能較好地滿足設施環境監測的要求。隨著物聯網的快速發展，其在設施環境中的應用會越來越廣泛，對促進整個設施生產具有重要意義。

參 考 文 獻：

[1] 楊玉建農業物聯網綜合應用模式初探：以向陽坡生態園區為例[J]山東農業科學，2013，45（3）：17-20

[2] 尚明華，黎香蘭，王風云，等無線傳感器網絡及其在設施農業監控中的應用[J]山東農業科學，2012，44（9）：13-16

[3] Leea W S，Alchanatis V， Yang C， et al Sensing technologies for precision specialty crop production[J] Computers and Electronics in Agriculture，2010，74（1）：2-33

[4] 閻曉軍，王維瑞，梁建平北京市設施農業物聯網應用模式構建[J]農業工程學報，2012，28（4）：149-154

[5] 郭 斌，錢建平，張太紅，等基于ZigBee的果蔬冷鏈配送環境信息采集系統[J]農業工程學報，2011，27（6）：208-213

[6] 孫利民，李建中，陳 渝，等無線傳感器網絡 [M]北京：清華大學出版社，2008

[7] Heinzelman W R， Chandrakasan A， Balakrishnan H An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]IEEE Transactions on Wireless Communications，2002，1 （4）：660-670

[8] 李戰明，陳若珠，張保梅同類多傳感器自適應加權估計的數據級融合算法研究[J]蘭州理工大學學報，2006，32（4）：78-82

[9] 吳 霽，于 濤，蔡希堯多傳感器數據融合技術及其應用[J]空間電子技術，1994，2：1-6，63