基于無線傳感網絡的農田遠程監測系統設計

趙立新

(三門峽職業技術學院 信息傳媒學院，河南 三門峽 472000)

近年來，由于氣候變化，水資源短缺和土地資源減少，人類可持續發展正日益受到威脅[1-3].傳統的澆水或施肥方法來源于經驗，缺乏科學依據，造成水或土壤的浪費惡化，因此土地和水資源的可持續地利用變得至關重要.近年來，無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)，集成傳感器技術，無線通信技術，嵌入式計算技術和分布式信息管理技術，一直在快速發展[4,5].隨著無線技術的發展，各種小型化設備和傳感器已經在PC外圍設備、家庭自動化、家庭安全、個人醫療保健、游戲、工業控制和監控、資產和庫存跟蹤以及智能農業等領域廣泛應用[6-8].

農業溫室可以被認為是一種人工解決方案，通過人為模擬一個生態系統，來種植各種農作物[9,10].然而，溫室所能覆蓋的農田畢竟是有限的，我們需要一個強大的監控網絡可以放置在實際農田中，通過監控系統抵御環境干擾.本文提出了基于無線傳感網絡的農田遠程監測系統設計.精準農業監控系統在農田部署傳感器節點，可以收集實時農田信息并通過電腦或手機傳送給給農民，這樣農民就可以了解農作物的實時情況，并決定是否澆水或施肥.

1 遠程監測系統的要求

整個監控系統分為兩部分：無線傳感器網絡和監控中心.精準農業監測系統的動機是監測特色農業的需要產品，例如蘋果，獼猴桃，甜瓜，番茄等，它監測周圍的環境環境因子與土壤肥力和土壤肥力的關系分析數據，為作物提供良好的環境與人為干預.通過對作物生長的研究，我們知道不同作物對環境因素有不同的要求，即空氣溫度和濕度，土壤溫度和水分，二氧化碳濃度，光照強度等，在不同的生長期.我們以蘋果樹為例.合適的蘋果樹的溫度范圍為13～25 ℃，和土壤含水量大于11%.有了這些標準參數，農民可以自動改變水分并為需要的農田澆水以避免浪費水資源.當然，通過檢測環境因素，我們還可以防止蘋果樹的害蟲.例如，蘋果蛀蟲大多出現在17 ℃的空氣溫度，19 ℃的溫度和更高的水分超過10%，以便在檢測到上述條件時我們會有作物除塵以抑制蘋果蛀蟲增長并保證樹的健康.基于WSN的遠程監測系統方面的要求功能主要可歸納為2點：

環境監測器：我們在監控中部署了各種傳感器區.管理員和用戶可以遠程訪問實時信息.在檢測到異常情況時，系統可以通過發送警報消息給用戶一些有效的方法，例如發簡訊.

遙控器：收到實時條件后，管理員可以遠程將設備打開或關閉在溫室中改變溫度或濕度.此外，還有一個性能要求注意到.精確農業監測系統是一種長期傳感，可用于連續應用，精確農業測量和農業研究，所以我們應該使系統的壽命盡可能長.

2 遠程監測系統的設計

任何監測系統都有兩組主要組件，即用于收集數據的傳感器組件，以及對收集的數據進行回應的執行器組件.本文設計的遠程監測系統的架構如圖1所示.現在我們描述系統建筑，以及精確農業監測的細節系統.精確農業監測系統包括WSN，網關和通信服務器.我們部署了被監測農田中的節點，可以感知到作物的相關環境信息，例如溫度，濕度，光照和二氧化碳濃度等.

之后數據收集，節點將使用特定的數據打包數據協議和沿多跳路由發送包根節點.然后，Root節點將數據發送到網關.當接收數據時，網關提取保存在本地閃存中的有效信息，同時，網關通過GPRS將數據發送到通信服務器.通信服務器處理數據然后存儲他們進入農業數據庫.然后管理員或用戶可以遠程監控環境條件通過評估數據庫監測農田或溫室.通訊服務器還具有短信報警功能，當監測到各項數據超出我們設定或監控的閾值時，將及時向用戶發送警報消息.此外，管理員也可以遠程控制排氣扇或灌溉設備達到監測作物生長的目的.

圖1 遠程監測系統結構

NPUMote是開發的農業傳感器節點部署在遠程監測系統中并感知環境監測區域.我們使用8位高性能微控制器Atmega128L作為微控制器單元.我們選擇這該控制器有兩個原因，一個是Atmega128L采用的RISC技術具有很高的計算能力性能.另一個原因是經過驗證的開源開發軟件并由TinyOS提供支持.同樣，我們也選擇AT86RF230作為射頻芯片和AT45db041B作為內存，都很好由TinyOS提供支持.在傳感器選擇方面，能夠快速響應，抗干擾能力良好，低功耗的傳感器使我們的首選.所有的選擇是為了實現我們的高性能監控系統.遠程監測系統原型基于TinyOS 2.1，使用了全球同步的責任循環機制節點.在節點無線電的每個上電周期中，我們采用CTP協議收集感官數據，而修改信標頻率以節省通信成本.來自Root節點的數據傳播可以控制節點的操作參數，例如傳輸功率，采樣頻率，占空比和占空比周期.傳感器節點數據包結構見圖2.

圖2 傳感器節點數據包結構

3 遠程監測系統的優點

3.1 高效節能

覆蓋程度作為衡量傳感器網絡節點部署的一個指標，它一般定義為所有節點覆蓋的總面積與目標區域總面積的比值.

(1)

其中C代表覆蓋程度，Ai表示第i個節點的覆蓋面積，N代表節點的數目，A表示整個目標區域的面積.

覆蓋均勻性標準差的值越小則覆蓋均勻性就越好.

(2)

(3)

式中U代表均勻性，N是節點總數目，Ki表示第i個節點的鄰居節點個數，Di,j表示第i個節點與第j個節點之間的距離，Mi表示第i個節點與其傳感范圍相交的所有節點的距離的平均值.

能量約束是一個限制的主要障礙無線傳感器網絡的長期可持續性.對于傳統的傳感器網絡，無線電通信消耗大部分能量，而接收和發射模式可比的電力消耗.遠程監測系統作為一個長期的部署必須考慮改善能耗表現.NPUMote使用兩節電池干電池來提供電力.長期部署是對電力的挑戰.雖然我們在節點，電源中實現占空比機制消費也是非最佳的.因此，我們提出了一個基于MATLAB的能量平衡數據聚合算法，來平衡每個節點的剩余能量并延長網絡的生命周期.這個程序基于自適應蟻群算法，增加了一個靈感的能量因子，利用定向擴散實現平衡能量程序.雖然該算法可以延長我們的壽命系統，但它不是這項設計的初衷.設計基于剩余能量的循環機制有效的動態任務，這是我們的未來研究方向.眾所周知，時間同步非常重要分布式系統，尤其是無線應用傳感器網絡.

3.2 信息管理

網關和通信服務器在管理系統中扮演媒體的角色.該網關通過RS-232將數據從接收器轉換為數據TCP/IP到通信服務器，反之亦然.通信服務器為用戶提供服務管理員.最重要的是，用戶可以使用管理系統將設備遠程控制放置在監視農田.

如上所述，網關和通信服務器提供系統中的信息路徑.監控數據存儲在數據庫中并向其他人提供服務應用，例如網絡和智能診斷.智能診斷系可以判斷系統環境因素是否符合給定的閾值.一旦檢測到異常情況，就能迅速診斷出來并由系統將發送命令，包括接通或關閉灌溉設備，排氣扇等，以通信服務器然后傳輸到受監控的農田溫室.Web服務提供在線查詢和管理功能.如果用戶想要改變檢測環境因素的閾值，必須通過遠程監測系統驗證，然后發送命令改變參數.我們面前還有另一個問題.遠程監測系統是一個長期部署應用程序，監控數據將更多隨著時間的推移.然后是數據庫的容量存儲監控數據的越來越少.如何處理歷史數據對于基于WSN的所有長期應用程序來說都是一個大問題.

遠程服務器存儲，處理和呈現無線傳感器網絡收集的信息.數據不僅僅是感知還要控制和管理消息.最終用戶可能通過圖形用戶界面檢查系統狀態(GUI)可通過我們的網站訪問.用戶能夠觀察節點報告的實時數據，用戶能夠管理配備的設備在受監控的地區.

4 實驗結果與分析

試驗中將10個傳感器節點及簇首布置在農田中，各傳感器節點每小時進行一次信息采集，并將該信息嵌入TinyOS數據包后發送到簇首.簇首每24 h將各傳感器節點的測量數據統一發送到基站節點，并送至計算機中保存.試運行期內各節點每天應收數據包24個.根據計算機最終接收到的各節點數據包數計算其數據包傳輸率，如式(4)所示.

(4)

式中：NR,pdr表示試運行期內各節點數據包傳輸率，Nr表示試運行期內各節點實收正確數據包總數，Nt表示試運行期內各節點應收數據包總數.各傳感器節點在試運行期內的數據包傳輸率如表1所示.由表1可以看出，系統整體運行情況良好，8個節點中有7個的總體數據包傳輸率高于90%.

表1 試運行期內各傳感器節點的數據包正確傳輸率

5 結 論

提出了基于WSN的農田遠程監測系統設計，通過在農田部署傳感器節點，實現精準農業監控.在我們未來的工作中，我們將實現長遠目標部署.有很多房間可以改善和完善傳感器網絡和監控系統包括挑戰上文提到的.我們未來的研究將集中在能源上保存，數據融合和其他方向.