基于無線傳感器網絡的葡萄生長環境測控系統設計與應用

李致遠

摘要：本研究基于無線傳感器網絡（WSNs）技術開發了葡萄園生長環境測控系統，實現了對大氣和土壤溫濕度等信息的采集、傳輸和分析。該系統運用數據挖掘技術處理和分析傳感器采集的數據，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條件，運用模糊控制原理控制電磁閥進行滴灌，以達到節能和增產保質的要求。

關鍵詞：無線傳感器網絡（WSNs）；葡萄；生長環境；測控系統

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

農業現場數據信息的及時獲取是進行現代化精準管理的重要基礎，如何快速、有效地獲取農業現場各類數據成為目前信息農業研究的重要領域。農業具有對象多樣、地域廣闊、偏僻分散、遠離都市社區、通信條件落后等特點，在很多情況下，農業數據信息的獲取更加困難。賀蘭山東麓以其獨特的地理、氣候和土壤優勢，成為我國釀酒葡萄最佳種植區，是全國三大葡萄原產地域保護區之一，約有8萬公頃土地適宜發展葡萄種植，已成為張裕、王朝、長城等國內知名葡萄酒公司的優質原料生產基地[1]。實時對生長環境數據進行監測和控制，可以實現葡萄的優質高產。

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量的重要環境因素[2]。本研究應用物聯網技術，通過布控大氣和土壤溫濕度等傳感器，利用2G無線網絡傳輸數據，建立了釀酒葡萄園環境測控系統，根據葡萄的生長環境需要，實時獲得環境數據并進行控制，對于提高釀酒葡萄及其葡萄酒質量具有重要意義。

1 葡萄生長環境測控系統架構及工作原理

1.1 系統架構

該系統由測控中心主機、無線傳感器網絡組成。無線傳感器網絡基于ZigBee協議[3，4]，由網絡總節點、路由節點和各傳感器節點組成[5]，負責采集葡萄園胚基溫濕度等信息，并通過2G無線網絡傳輸到測控中心主機。測控中心主機是整個系統的核心，主要任務是數據的存儲、分析與管理，并根據數據分析結果及時調整對葡萄園的監測和管控。系統架構見圖1。

1.2 工作原理

系統運行時，由中心測控主機通過2G無線網絡發出數據采集信令[6]，網絡總節點接到信令后，通過路由節點向下方傳感器節點發送信息查詢報文，傳感器收到報文后，從睡眠狀態切換到工作狀態，開始采集數據，采集到的數據又通過路由節點發送到全網總節點，全網總節點收到數據后啟動確認響應[7，8]，而傳感器節點進入睡眠狀態，等待下一次采集數據報文；同時全網總節點把接收到的數據通過2G網絡發送到測控中心主機，至此就完成了一輪數據的采集過程。

2 系統硬件設計

2.1 無線傳感器網絡設計

2.1.1 傳感器節點設計 基于IEEE802.15.4標準構建了無線傳感器網絡，故傳感器節點硬件設備應支持ZigBee底層協議[4]。傳統的傳感器節點由微處理器、傳感器模塊、無線收發器和電源模塊組成，但隨著芯片技術的發展，集微處理器、傳感器模塊和無線收發模塊于一體的集成片上系統（SOC）芯片已經研制成功并已投入量產。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，故本系統傳感器節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，太陽有效輻射量較高，故采用太陽能電池作為電源，以節約能源，實現可持續發展的目的。

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

2.1.3 網絡總節點設計 網絡總節點用于接收傳感器節點的信息，并傳給測控中心主機，具有一定的運算和分析處理性能。本系統網絡總節點采用高通公司（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]。網絡總節點還包括一個無線收發芯片和一個2G通信芯片，以實現對路由節點和測控中心主機的數據收發功能。采用的2G通信芯片具有抗干擾性強、傳輸速率快、支持多數據庫、環境適應性強等優點，并通過RS-232串口與處理器相連，從而獲得更高的通信速率。為方便數據存儲和移動，設計采用USB接口的數據存儲方式，實現操作便捷、降低成本的目的。供電模塊仍采用太陽能電池，可同時對網絡節點的所有模塊進行供電。網絡總節點結構如圖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總節點的數據并進行解析和儲存，包括中心主機與2G網絡的連接和數據處理軟件的應用。測控中心主機通過分配指定的IP地址使用DDN專線與2G網絡相連[5-8]。DDN專線可帶來較高的帶寬，能夠滿足葡萄園數據測控點增量傳輸的頻譜需求。網絡總節點收集的數據經2G模塊解碼并轉換成在公共網絡傳輸的數據格式，最終傳輸到測控中心主機。由于傳感器節點采集數據的頻點和體量不大，耗費的2G流量并不多，因此，利用2G網絡傳輸數據，無需考慮建立專網的高昂成本，只需一次性投資2G模塊及少量的2G信息費即可實現實時在線、快捷高效的數據傳輸；而且2G技術已十分成熟，擁有完善的容錯機制，傳輸穩定性有保障。

3 應用軟件設計

該系統的應用軟件包括數據的監控、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，設計監聽綁定端口程序，該程序在鑒權客戶端接收網絡總節點發出的鏈接請求后，下載數據并根據軟件協議完成自定義解析。采用開源的關系數據庫管理系統存儲收到的數據。在主機監控界面能夠實現歷史數據遍歷、實時數據分析、預警狀態上報等功能。

鑒于測控中心主機與2G網絡通信容易實現，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境測控系統于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域都在測控范圍內，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，傳感器的監測范圍是以節點為中心的圓，相鄰小區傳感器覆蓋范圍相接。

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

5 小結

本文通過設計實現了基于無線傳感器網絡（WSNs）技術的葡萄園生長環境測控系統，該系統充分利用無線傳感器網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，實時監測葡萄生長的土壤和氣候環境，并根據葡萄生長的適宜環境條件進行調節，以獲得高產優質的葡萄。在賀蘭山東麓8公頃葡萄園中的應用試驗結果表明，該系統的測控效率較高，其應用可使每666.7m2葡萄產量提高22%，對比成本降低16%（按照系統損耗5年計算），說明該系統具有良好的應用效果，為釀酒葡萄的優質高產提供了保障。

參 考 文 獻：

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