基于OLSR的無線傳感網(wǎng)在智能溫室大棚中的應(yīng)用

徐琳君+程彬彬+逯連靜+楊娟

摘要：為了推廣智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，針對目前的溫室大棚檢測、管理難的問題，設(shè)計了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能溫室大棚管理系統(tǒng)。首次引入了OLSR路由協(xié)議，使系統(tǒng)中的感應(yīng)節(jié)點、實施節(jié)點、控制節(jié)點共同處于一個網(wǎng)絡(luò)層，無需網(wǎng)關(guān)便可實現(xiàn)節(jié)點與節(jié)點、節(jié)點與控制中心的實時通信。感應(yīng)節(jié)點收集物理環(huán)境數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點傳送給控制節(jié)點，控制節(jié)點查詢專家數(shù)據(jù)庫后決定解決方案，交由實施節(jié)點實施。與傳統(tǒng)溫室大棚檢測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有布置簡單、智能調(diào)控等特點。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)；OLSR路由協(xié)議；溫室大棚；智能管理

中圖分類號： S126文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）12-0160-03

通信作者：程彬彬，碩士，助理研究員，主要從事信息分析加工、農(nóng)業(yè)信息化研究。E-mail：chengbinbin@saas.sh.cn。我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)、人口大國，糧食是人民生活的基本保障。根據(jù)海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016年間，我國糧食的總進口量超過7 000萬t，提高我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)出是解決中西部貧困地區(qū)溫飽問題的關(guān)鍵。目前我國農(nóng)業(yè)已基本實現(xiàn)科學(xué)生產(chǎn)，但在農(nóng)業(yè)高科技領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，可以有效提高我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)率，帶動農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，改善農(nóng)民的生活水平。現(xiàn)有的基于ZigBee技術(shù)或者RFID技術(shù)的無線傳感網(wǎng)研究資料表明，將感應(yīng)節(jié)點布控于農(nóng)業(yè)溫室大棚中，可以對大棚中的各個環(huán)境參數(shù)進行采集，實現(xiàn)實時監(jiān)測[1-3]。本研究在現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了基于OLSR路由協(xié)議[4]的無線傳感網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)檢測與管理的智能化，對加快農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變、促使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型、提高農(nóng)業(yè)的種植和管理效率具有重要意義。

目前溫室大棚主要是日光溫室，結(jié)構(gòu)簡單并且環(huán)境基本不可控制，導(dǎo)致溫室生產(chǎn)效率低下，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全也得不到保障。智能溫室大棚是以物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)支撐手段，可以實現(xiàn)全面感知和智能處理蔬菜大棚中的各個環(huán)境參數(shù)，真正使溫室大棚達(dá)到自動化、智能化、最優(yōu)化管理。

1OLSR路由協(xié)議

OLSR是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)一種典型的主動路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點通過定期的廣播TC分組數(shù)據(jù)和Hello分組數(shù)據(jù)來探知整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點既是通信的主機，也是路由器，節(jié)點與節(jié)點之間通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式通信，無需特定的網(wǎng)關(guān)和路由器。采用OLSR路由協(xié)議的無線傳感網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點、實施節(jié)點、控制節(jié)點都處于同一個網(wǎng)絡(luò)層中，以自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)，具有移動靈活、組網(wǎng)快速、路由時延短、多路徑通達(dá)等許多優(yōu)良特性。在溫室大棚生產(chǎn)過程中，可以任意移動、添加、拆除網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點而不影響網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

采用OLSR路由協(xié)議的傳感網(wǎng)絡(luò)可以利用多點中繼方式（MPR：Multiple Relay）傳播數(shù)據(jù)[7]，有效提高了數(shù)據(jù)的效率，降低了數(shù)據(jù)的路由時延。

MPR集：節(jié)點的MPR集是由網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點從自身臨節(jié)點中按照一定的規(guī)律進行選擇，只有在轉(zhuǎn)發(fā)分組消息時能夠覆蓋所有二跳節(jié)點的節(jié)點才能被選為MPR集，如圖1所示。MPR節(jié)點通過周期性地發(fā)送分組消息向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點宣布，通過它可以到達(dá)MPR Select節(jié)點。

2系統(tǒng)框架設(shè)計

智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可以實時采集大棚內(nèi)的溫度、空氣濕度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，利用自動化技術(shù)以直觀的形式向用戶反映數(shù)據(jù)，也可以提供各種聲光報警信息。如圖2所示，基于無線傳感網(wǎng)的農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)由4個部分組成：感應(yīng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、控制決策層、實施層。

網(wǎng)絡(luò)運輸層是由具有無線收發(fā)模塊且運行OLSR路由協(xié)

議的裝置組成。智能農(nóng)業(yè)大棚中，含有此種裝置的所有感應(yīng)節(jié)點、實施節(jié)點、控制決策中心共同組成一個小型Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中所有設(shè)備間的相互通信。

感應(yīng)層是由溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照傳感器、土壤傳感器等組成，可以有效監(jiān)測空氣中的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤中的有機物、PH值等。

控制決策層一般是一臺計算機，將感應(yīng)層收集到的數(shù)據(jù)跟計算機中專家數(shù)據(jù)庫進行比較并作出控制決策。

實施層是由嵌入式控制的環(huán)境調(diào)控裝置組成，根據(jù)決策層的指令控制噴頭、抽風(fēng)機、二氧化碳噴罐的開關(guān)等。

3OLSR協(xié)議在智能溫室大棚中的應(yīng)用探討

3.1傳統(tǒng)智能溫室大棚的結(jié)構(gòu)

如圖3所示的智能蔬菜大棚，由控制室和溫室大棚共同組成。控制室里是運行著專家數(shù)據(jù)庫的計算機，專家數(shù)據(jù)庫中保存著植物生長最佳的物理環(huán)境數(shù)據(jù)。每個溫室大棚中都安放著各種感應(yīng)節(jié)點和實施節(jié)點，不同的感應(yīng)節(jié)點可以監(jiān)測不同的物理環(huán)境變量。智能溫室大棚的控制過程，以二氧化碳控制為例，二氧化碳濃度傳感器每隔一段時間檢測一次大棚內(nèi)的二氧化碳濃度，并將數(shù)據(jù)通過其他節(jié)點傳遞到控制中心。控制中心在收到數(shù)據(jù)后，對比專家數(shù)據(jù)庫，若二氧化碳濃度偏低，則計算機將對應(yīng)大棚內(nèi)二氧化碳管道的開關(guān)打開，增加二氧化碳的濃度，達(dá)到智能管理的目的；若二氧化碳濃度偏高，則計算機將打開對應(yīng)大棚內(nèi)的抽風(fēng)機，降低二氧化碳的濃度，達(dá)到智能管理的目的。

3.2基于OLSR協(xié)議的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件組成由系統(tǒng)控制終端和各個物理傳感器設(shè)備構(gòu)成；軟件包括控制終端GU界面、物理傳感器處理軟件控制終端和傳感器的通信協(xié)議軟件。本研究主要論述控制終端的通信處理能力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示：

在實際應(yīng)用中，由于存在大量的物理傳感器設(shè)備需要與人工控制終端進行可靠性通信，所以必須要保證人工控制終端有序進行處理傳感器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，在大量研究文獻后，選擇OSLR路由協(xié)議處理多傳感器傳輸?shù)娇刂平K端的數(shù)據(jù)信息。選擇OSLR的優(yōu)勢是能夠正確處理多路傳感器數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)硬件平臺如圖5所示。物理傳感器一般傳輸?shù)男盘柺悄Ｊ叫盘枺枰布腁D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過處理器處理傳輸?shù)缴衔粰C進行信息讀取顯示。endprint

3.3OLSR協(xié)議在大棚中的應(yīng)用優(yōu)勢分析

傳統(tǒng)的采用ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)，需要布置專用的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點。匯聚節(jié)點將傳感網(wǎng)絡(luò)中所有感應(yīng)節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)匯總，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送給控制中心，數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂絾我唬瑪?shù)據(jù)匯聚節(jié)點若發(fā)生故障將導(dǎo)致全網(wǎng)的癱瘓。

采用OLSR協(xié)議時，每個節(jié)點都是路由器，不存在因個別節(jié)點導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓的問題。智能溫室大棚中的所有設(shè)施相當(dāng)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，當(dāng)感應(yīng)器節(jié)點上傳物理環(huán)境數(shù)據(jù)時，控制中心則為目標(biāo)節(jié)點，其他感應(yīng)器節(jié)點或?qū)嵤┕?jié)點都充當(dāng)著路由器，以多跳方式為源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。控制中心發(fā)送控制指令時，目標(biāo)節(jié)點則是各個大棚中的實施節(jié)點。因此，當(dāng)需要增加溫室大棚時，只需按照要求在新的溫室大棚中添加新的傳感器節(jié)點和控制節(jié)點，節(jié)點會自動接入已有的溫室大棚的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)需要拆除溫室大棚時，直接拆除各個設(shè)施即可，不會影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。

4結(jié)論與展望

農(nóng)作物的生長受到物理環(huán)境中的水分、有機物含量、酸堿度、光照度、溫度和濕度等各種因素的影響，將無線傳感網(wǎng)運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，對加快農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變、促使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型具有重要意義。

無線傳感網(wǎng)具有感知、通信能力，是連接物理、虛擬世界和人類社會的橋梁。運行OLSR路由協(xié)議的無線傳感網(wǎng)，具有良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力、自組織能力，可以讓更多的高科技農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具加入其中，使農(nóng)業(yè)溫室大棚實現(xiàn)真正的無人值守、智能管控功能。

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