基于LEACH的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)分析

范長英

（濰坊科技學院 山東省壽光市 262700）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動開展期間，各種現(xiàn)代化智能技術(shù)層出不窮，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，以其強大的智能技術(shù)為依托，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的實時監(jiān)測，落實精準農(nóng)業(yè)的各個方面，提高我國農(nóng)業(yè)技術(shù)建設(shè)能力和水平，推動農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)以人工為主的農(nóng)業(yè)發(fā)展類型向智能化農(nóng)業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)變。

1 關(guān)于LEACH的概述

LEACH 作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，其基本算法稱為“LEACH 算法”，在運行期間，將網(wǎng)絡(luò)能量負載平均分配至不同的傳感器節(jié)點，在低網(wǎng)絡(luò)能耗的狀態(tài)下，提高網(wǎng)絡(luò)生存時間，因此，以LEACH 算法為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)因運而生，逐漸成為當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的主要發(fā)展途徑，滿足智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需求。

2 基于LEACH的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)措施

2.1 構(gòu)建模型

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)是基于物聯(lián)網(wǎng)模型框架內(nèi)的，以LEACH 算法為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代智能技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的具體操作。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)由信息數(shù)據(jù)采集中心、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)節(jié)點控制器網(wǎng)關(guān)、控制終端以及客戶端組成，其中數(shù)據(jù)節(jié)點控制器網(wǎng)關(guān)為系統(tǒng)運行核心，在系統(tǒng)運行期間，起到信號傳輸及模擬信號發(fā)射的作用，應用于具體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植人員通過信息采集中心，收集與農(nóng)業(yè)種植環(huán)境相關(guān)的土壤溫/濕度、空氣溫/濕度、二氧化碳濃度、光照強度等數(shù)據(jù)信息，利用數(shù)據(jù)節(jié)點控制器網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)傳輸，通過GPRS 向系統(tǒng)控制終端發(fā)射信號，同時，通過云計算的方式，形成完整的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)圖，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)活動進度以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況的有效監(jiān)測。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本模型框架結(jié)構(gòu)分為感知層、傳輸層、處理層和應用層，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中，感知層作為底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，承擔著數(shù)據(jù)信息采集工作，利用現(xiàn)代化傳感技術(shù)或傳感設(shè)備收集和識別農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)運行提供具體的數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)信息傳至傳輸層，通過WSN 等無線網(wǎng)絡(luò)，完成遠距離農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳎畔⑻幚韺觿t是在信息傳至系統(tǒng)內(nèi)部后，利用大數(shù)據(jù)信息技術(shù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信進行處理和挖掘，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)信息形成完整的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動預測診斷和智能監(jiān)控報告，實現(xiàn)對大面積農(nóng)業(yè)種植的有效監(jiān)測，完善和豐富各領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

基于LEACH 的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)期間，技術(shù)人員要根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境對農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)進行整體設(shè)計，通過物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息，利用協(xié)調(diào)器將信息匯聚至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，同時運用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務器，技術(shù)人員通過登錄客戶端獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)信息，實現(xiàn)對茶園的總體監(jiān)控，其系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容主要分為兩部分，一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，二是系統(tǒng)組成設(shè)計。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的實際開展狀況，技術(shù)人員對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)和軟/硬件組成設(shè)計，主要設(shè)計內(nèi)容包括以下幾方面：

2.2.1 監(jiān)控設(shè)計

農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)運行期間，技術(shù)人員利用無線網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)業(yè)信息進行采集與監(jiān)控，配備視頻監(jiān)控設(shè)備，具備歷史視頻查詢、視頻監(jiān)控報警、視頻實時監(jiān)控以及GPS 地圖防盜功能，提高對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的監(jiān)測效果。

2.2.2 數(shù)據(jù)融合設(shè)計

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計期間，技術(shù)人員注重對數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)無線傳感器位置和節(jié)點信息結(jié)構(gòu)的不同，采用多源異構(gòu)的方式，將無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸而來的數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)進行適配，構(gòu)建農(nóng)業(yè)信息融合數(shù)據(jù)庫，便于相關(guān)人員查閱數(shù)據(jù)信息[1]。

2.2.3 無線傳感器節(jié)點設(shè)計

技術(shù)人員進行農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計期間，對傳感器節(jié)點位置進行接口預留，改變農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸格式，便于信息傳輸節(jié)點將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至信息協(xié)調(diào)器，保證農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息的無阻傳輸。技術(shù)人員利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的不同工作頻段，結(jié)合數(shù)據(jù)電波的存在方式，確定數(shù)據(jù)的傳輸速率，其中無線傳感器節(jié)點在運行期間，負責數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的信息傳輸與管理，通過與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任意設(shè)備的有效連接，數(shù)據(jù)節(jié)點出現(xiàn)集聚效應，在提高數(shù)據(jù)傳輸效率的同時減少傳感器節(jié)點能量的損耗，保證農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息的完整性和真實性。

2.2.4 控制器網(wǎng)關(guān)設(shè)計

數(shù)據(jù)節(jié)點控制器網(wǎng)關(guān)設(shè)計期間，技術(shù)人員根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積及實際情況，確定無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)階段控制器節(jié)點位置和數(shù)量，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換與自由通信。無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過控制系統(tǒng)與網(wǎng)關(guān)進行連接，根據(jù)控制器發(fā)出的指令，向GPRS 系統(tǒng)傳輸農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)終端將相關(guān)數(shù)據(jù)儲存至農(nóng)業(yè)信息庫中，供管理人員查看和調(diào)閱，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動起到數(shù)據(jù)指導作用。

2.2.5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理設(shè)計

技術(shù)人員利用單片機對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)程序進行整體設(shè)計，通過單片機向系統(tǒng)協(xié)調(diào)器發(fā)送控制指令，利用通信模塊進行農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合協(xié)調(diào)器發(fā)送的指令，獲取無線傳感器節(jié)點信息及數(shù)據(jù)，最終發(fā)送至農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中，等待系統(tǒng)發(fā)出下一步查詢或控制指令。

2.3 技術(shù)要點

基于LEACH 的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)期間，需要以現(xiàn)代智能化技術(shù)為依托，將無線傳感器與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)相結(jié)合，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的感知、傳輸與處理能力，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的有效監(jiān)測。

2.3.1 無線感知技術(shù)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息收集期間，主要應用到無線感知技術(shù)，在充分利用無線傳感器的基礎(chǔ)上，將GPS 全球衛(wèi)星定位、RFID 無線射頻識別、RS 無線電傳輸、條碼等技術(shù)進行融合，打破時間和空間的限制，完成對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息的采集。技術(shù)人員利用無線感知技術(shù)，完成對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素信息的收集，包括生產(chǎn)環(huán)境、影響因素等，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動順利進行；GPS 技術(shù)，利用衛(wèi)星定位的方式，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行精準定位和導航，提高農(nóng)業(yè)監(jiān)測效果；RFID 技術(shù)，利用無線電信號識別功能，對特定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標進行信息識別和跟蹤，提高農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息傳輸效率；RS 技術(shù)，以無線電為主要信號傳輸介質(zhì)，通過不同頻率和波段，進行遠距離農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸，在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測、病蟲害預測防治等方面應用較為廣泛；條碼技術(shù)，將編碼、光電、通信等技術(shù)類型進行融合，形成現(xiàn)代化自動識別技術(shù)，實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的嚴格控制[2]。

2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的順利進行具有重要的指導性意義，主要通過智能感知設(shè)備，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的收集和整理，利用有線傳輸和無線傳輸兩種形式，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與通信，將處理后的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸至農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的終端設(shè)備，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜^程。當前應用最為廣泛的屬無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，分為遠距離和近距離傳輸，其中遠距離傳輸技術(shù)包括CDMA、GPRS、無線網(wǎng)橋、短波通信等技術(shù)手段，適用于大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動監(jiān)測，近距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要包括ZigBee、紅外線、無線藍牙等，適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較小的項目，具有較強的靈活性和便捷性。

2.3.3 信息處理技術(shù)

農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中信息處理技術(shù)主要指利用相關(guān)技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息進行加工和分析，分為信息準備、信息處理和信息輸出三個階段，應用到的關(guān)鍵技術(shù)包括農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)、智能決策技術(shù)、預測報警技術(shù)以及視覺處理技術(shù)，利用現(xiàn)代化智能技術(shù)，處理和分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的指導和控制。

2.4 算法研究

基于LEACH 協(xié)議算法下的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)期間，核心思想是利用無限循環(huán)的方式，隨機選擇簇頭節(jié)點，保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各部分節(jié)點均勻消耗負載能量，進而形成數(shù)據(jù)節(jié)點聚類協(xié)議。

2.4.1 算法設(shè)計

LEACH 算法共分為五個階段，分別是確定簇頭節(jié)點、接收廣播信息、成立簇、建立調(diào)度表、傳輸數(shù)據(jù)階段，技術(shù)人員在傳感器節(jié)點中，根據(jù)LEACH 算法選擇本輪簇頭，通過簇頭接收器接收廣播信息，接著劃分簇頭歸屬范圍，開啟簇頭接收器，防止遺漏傳感器中非簇頭信息，結(jié)合簇頭信息建立調(diào)度表，同時，利用多種智能技術(shù)對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息進行加工處理，最終通過農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4.2 仿真研究

技術(shù)人員建設(shè)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)過程中，要對LEACH 算法在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中的實際應用效果進行仿真實驗研究，將直接通信協(xié)議和最小傳輸能量協(xié)議作為仿真實驗對象，通過節(jié)點或傳輸媒介向基站傳輸數(shù)據(jù)，完成對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況的實時監(jiān)測[3]。

2.5 系統(tǒng)測試

技術(shù)人員在系統(tǒng)建設(shè)完成階段對系統(tǒng)整體性能及數(shù)據(jù)傳輸效率和質(zhì)量進行集中測試，用于驗證LEACH 算法的準確性與科學性，通過比對系統(tǒng)節(jié)點信息以及經(jīng)典路由協(xié)議算法結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于LEACH 算法下建設(shè)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)較比傳統(tǒng)系統(tǒng)運行效率更好，基本滿足現(xiàn)代智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。

3 結(jié)束語

綜上所述，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化背景下，農(nóng)業(yè)技術(shù)人員通過構(gòu)建系統(tǒng)模型的方式，將LEACH 與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)進行有效結(jié)合，旨在發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢，提高對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的監(jiān)測效果，進而優(yōu)化我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，提高農(nóng)作物及農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，加快農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)代化的步伐。