基于無線傳感器網(wǎng)絡的葡萄生長環(huán)境測控系統(tǒng)設計與應用

李致遠

摘要：本研究基于無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）技術開發(fā)了葡萄園生長環(huán)境測控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大氣和土壤溫濕度等信息的采集、傳輸和分析。該系統(tǒng)運用數(shù)據(jù)挖掘技術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，運用模糊控制原理控制電磁閥進行滴灌，以達到節(jié)能和增產(chǎn)保質(zhì)的要求。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）；葡萄；生長環(huán)境；測控系統(tǒng)

中圖分類號：S126 文獻標識號：A 文章編號：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)場數(shù)據(jù)信息的及時獲取是進行現(xiàn)代化精準管理的重要基礎，如何快速、有效地獲取農(nóng)業(yè)現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)成為目前信息農(nóng)業(yè)研究的重要領域。農(nóng)業(yè)具有對象多樣、地域廣闊、偏僻分散、遠離都市社區(qū)、通信條件落后等特點，在很多情況下，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息的獲取更加困難。賀蘭山東麓以其獨特的地理、氣候和土壤優(yōu)勢，成為我國釀酒葡萄最佳種植區(qū)，是全國三大葡萄原產(chǎn)地域保護區(qū)之一，約有8萬公頃土地適宜發(fā)展葡萄種植，已成為張裕、王朝、長城等國內(nèi)知名葡萄酒公司的優(yōu)質(zhì)原料生產(chǎn)基地[1]。實時對生長環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和控制，可以實現(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和果實質(zhì)量的重要環(huán)境因素[2]。本研究應用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過布控大氣和土壤溫濕度等傳感器，利用2G無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，建立了釀酒葡萄園環(huán)境測控系統(tǒng)，根據(jù)葡萄的生長環(huán)境需要，實時獲得環(huán)境數(shù)據(jù)并進行控制，對于提高釀酒葡萄及其葡萄酒質(zhì)量具有重要意義。

1 葡萄生長環(huán)境測控系統(tǒng)架構及工作原理

1.1 系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)由測控中心主機、無線傳感器網(wǎng)絡組成。無線傳感器網(wǎng)絡基于ZigBee協(xié)議[3，4]，由網(wǎng)絡總節(jié)點、路由節(jié)點和各傳感器節(jié)點組成[5]，負責采集葡萄園胚基溫濕度等信息，并通過2G無線網(wǎng)絡傳輸?shù)綔y控中心主機。測控中心主機是整個系統(tǒng)的核心，主要任務是數(shù)據(jù)的存儲、分析與管理，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果及時調(diào)整對葡萄園的監(jiān)測和管控。系統(tǒng)架構見圖1。

1.2 工作原理

系統(tǒng)運行時，由中心測控主機通過2G無線網(wǎng)絡發(fā)出數(shù)據(jù)采集信令[6]，網(wǎng)絡總節(jié)點接到信令后，通過路由節(jié)點向下方傳感器節(jié)點發(fā)送信息查詢報文，傳感器收到報文后，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)點發(fā)送到全網(wǎng)總節(jié)點，全網(wǎng)總節(jié)點收到數(shù)據(jù)后啟動確認響應[7，8]，而傳感器節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，等待下一次采集數(shù)據(jù)報文；同時全網(wǎng)總節(jié)點把接收到的數(shù)據(jù)通過2G網(wǎng)絡發(fā)送到測控中心主機，至此就完成了一輪數(shù)據(jù)的采集過程。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡設計

2.1.1 傳感器節(jié)點設計 基于IEEE802.15.4標準構建了無線傳感器網(wǎng)絡，故傳感器節(jié)點硬件設備應支持ZigBee底層協(xié)議[4]。傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點由微處理器、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、易于上層設計、成本低、運行速度快且功耗低，故本系統(tǒng)傳感器節(jié)點采用支持溫度和濕度同時測量并可將模擬信號轉換為數(shù)字信號的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，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目的。

2.1.2 路由節(jié)點設計 路由節(jié)點的作用是連接全網(wǎng)總節(jié)點和下層的各個傳感器節(jié)點，并且為拓撲關系里各上下層節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸選擇相應的鏈路[11]，從而提高傳輸速度，減輕網(wǎng)絡系統(tǒng)冗余負荷，故與傳感器節(jié)點相比，路由節(jié)點只需微處理器與無線收發(fā)器適配即可實現(xiàn)。電源模塊依舊采用傳統(tǒng)的太陽能電池。

2.1.3 網(wǎng)絡總節(jié)點設計 網(wǎng)絡總節(jié)點用于接收傳感器節(jié)點的信息，并傳給測控中心主機，具有一定的運算和分析處理性能。本系統(tǒng)網(wǎng)絡總節(jié)點采用高通公司（Qualcomm）的“驍龍”處理器，其體積小，運行速率快，并有較多的接口擴展功能[12]。網(wǎng)絡總節(jié)點還包括一個無線收發(fā)芯片和一個2G通信芯片，以實現(xiàn)對路由節(jié)點和測控中心主機的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。采用的2G通信芯片具有抗干擾性強、傳輸速率快、支持多數(shù)據(jù)庫、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，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)存儲和移動，設計采用USB接口的數(shù)據(jù)存儲方式，實現(xiàn)操作便捷、降低成本的目的。供電模塊仍采用太陽能電池，可同時對網(wǎng)絡節(jié)點的所有模塊進行供電。網(wǎng)絡總節(jié)點結構如圖2所示。

2.2 測控中心主機設計

測控中心負責收集來自全網(wǎng)總節(jié)點的數(shù)據(jù)并進行解析和儲存，包括中心主機與2G網(wǎng)絡的連接和數(shù)據(jù)處理軟件的應用。測控中心主機通過分配指定的IP地址使用DDN專線與2G網(wǎng)絡相連[5-8]。DDN專線可帶來較高的帶寬，能夠滿足葡萄園數(shù)據(jù)測控點增量傳輸?shù)念l譜需求。網(wǎng)絡總節(jié)點收集的數(shù)據(jù)經(jīng)2G模塊解碼并轉換成在公共網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，最終傳輸?shù)綔y控中心主機。由于傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)的頻點和體量不大，耗費的2G流量并不多，因此，利用2G網(wǎng)絡傳輸數(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信息費即可實現(xiàn)實時在線、快捷高效的數(shù)據(jù)傳輸；而且2G技術已十分成熟，擁有完善的容錯機制，傳輸穩(wěn)定性有保障。

3 應用軟件設計

該系統(tǒng)的應用軟件包括數(shù)據(jù)的監(jiān)控、管理和解析軟件。因測控中心與葡萄園有一定距離，軟件設計采用Browser/Server體系結構，利用C++編程，設計監(jiān)聽綁定端口程序，該程序在鑒權客戶端接收網(wǎng)絡總節(jié)點發(fā)出的鏈接請求后，下載數(shù)據(jù)并根據(jù)軟件協(xié)議完成自定義解析。采用開源的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存儲收到的數(shù)據(jù)。在主機監(jiān)控界面能夠實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)遍歷、實時數(shù)據(jù)分析、預警狀態(tài)上報等功能。

鑒于測控中心主機與2G網(wǎng)絡通信容易實現(xiàn)，故主機的軟件設計重心在于自身測控功能的模擬與應用。其運行程序設計如圖3。

4 應用試驗

將本文設計的無線葡萄生長環(huán)境測控系統(tǒng)于2015年在賀蘭山東麓的8公頃葡萄種植園中進行應用試驗。由于傳感器價格高昂，為了保證整個試驗區(qū)域都在測控范圍內(nèi)，試驗過程中，每666.7m2安裝一套傳感器，包括大氣和土壤溫、濕度傳感器、土壤電導率傳感器、光照傳感器、CO2傳感器和莖直徑變化測量傳感器，傳感器的監(jiān)測范圍是以節(jié)點為中心的圓，相鄰小區(qū)傳感器覆蓋范圍相接。

試驗結果表明，該系統(tǒng)有效提升了葡萄園的測控效率，每666.7m2產(chǎn)量提高22%，對比成本降低16%（按照系統(tǒng)損耗5年計算）。

5 小結

本文通過設計實現(xiàn)了基于無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）技術的葡萄園生長環(huán)境測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用無線傳感器網(wǎng)絡和傳感器技術對葡萄園的大氣和土壤溫濕度等信息進行采集、傳輸和分析，實時監(jiān)測葡萄生長的土壤和氣候環(huán)境，并根據(jù)葡萄生長的適宜環(huán)境條件進行調(diào)節(jié)，以獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的葡萄。在賀蘭山東麓8公頃葡萄園中的應用試驗結果表明，該系統(tǒng)的測控效率較高，其應用可使每666.7m2葡萄產(chǎn)量提高22%，對比成本降低16%（按照系統(tǒng)損耗5年計算），說明該系統(tǒng)具有良好的應用效果，為釀酒葡萄的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供了保障。

參 考 文 獻：

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