適宜于農(nóng)業(yè)監(jiān)測和控制的WSN應(yīng)用框架構(gòu)建,農(nóng)業(yè)工程論文

適宜于農(nóng)業(yè)監(jiān)測和控制的WSN應(yīng)用框架構(gòu)建,農(nóng)業(yè)工程論文物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三代信息技術(shù)革命,引領(lǐng)著社會(huì)發(fā)展的潮流。WSN是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵的技術(shù),它由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量便宜的、低功耗的、具有感悟、通信和計(jì)算能力的小巧節(jié)點(diǎn)組成。WSN將最終成為聯(lián)絡(luò)物理世界和客觀世界的接口,人們能夠通過WSN獲取客觀世界的信息并做出判定。把WSN應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中,實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、作物生長狀態(tài)等客觀信息,能實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測,采取正確的決策提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,能尋找農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各種因素和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)絡(luò)并建立模型,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)精到準(zhǔn)確的指導(dǎo)。當(dāng)前,WSN在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大多應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和智能控制。很多研究成果均根據(jù)各自需求,設(shè)計(jì)不同的軟硬件平臺,提出了多種基于WSN的解決方案,實(shí)現(xiàn)了對目的環(huán)境的信息采集。裴素萍和吳必瑞為了提高農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的效率,以TI公司的MSP430F149低功耗單片機(jī)為基礎(chǔ),結(jié)合CC2520和CC2591作為ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了土壤干濕度信息的采集、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)控制。孫彥景等研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng),描繪敘述了該系統(tǒng)的硬件組成和系統(tǒng)構(gòu)造,具體介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及主要功能模塊的運(yùn)作流程,實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的智能化和自動(dòng)化運(yùn)作。Antonio-JavierGarcia-Sanchez等人實(shí)現(xiàn)了對多個(gè)分散農(nóng)田的信息采集,且能實(shí)現(xiàn)圖片采集的功能。J.A.LpezRiquelme等搭建了一個(gè)包括土壤節(jié)點(diǎn)、環(huán)境節(jié)點(diǎn)、水分節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)4類節(jié)點(diǎn)的WSN平臺,每類節(jié)點(diǎn)都能連接不同類型的傳感器,分別在實(shí)驗(yàn)室和田間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。常超等具體介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)及各類節(jié)點(diǎn)內(nèi)的軟件設(shè)計(jì),包括簇網(wǎng)絡(luò)建立流程、信息傳輸經(jīng)過、無線網(wǎng)關(guān)信息傳輸流程等。張瑞瑞等描繪敘述了傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)造及模塊化軟件的設(shè)計(jì)方式方法,平臺較多關(guān)注數(shù)據(jù)采集部分,或平臺的軟硬件的設(shè)計(jì)。已有的平臺較多關(guān)注數(shù)據(jù)采集部分,或平臺的軟硬件的設(shè)計(jì)。為此,從較宏觀的角度提出了一種適宜于農(nóng)業(yè)監(jiān)測和控制的WSN應(yīng)用框架(WSNFFA)。為了評估WSNFFA的性能,搭建了基于WSNFFA的WSN平臺,用于實(shí)現(xiàn)對蘋果園環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表示清楚,系統(tǒng)總體運(yùn)行穩(wěn)定,知足蘋果園環(huán)境監(jiān)測的需求。1、系統(tǒng)總體框架1.1設(shè)計(jì)原理當(dāng)前,大多WSN在農(nóng)業(yè)中主要用于信息監(jiān)測和控制。通過裝有傳感器的WSN節(jié)點(diǎn)采集信息,對采集的信息進(jìn)行分析、組織和傳輸,并最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者及農(nóng)業(yè)專家的零距離,對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策,并采取正確的措施。底層的信息采集是WSN的關(guān)鍵部分,采集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)可靠快速地傳輸至?xí)酃?jié)點(diǎn)是WSN存在的基礎(chǔ)。然而,怎樣將采集的數(shù)據(jù)高效有序地傳輸至上層服務(wù)器,怎樣高效地組織數(shù)據(jù)架構(gòu),怎樣合理地構(gòu)建視圖及展示數(shù)據(jù)是WSN平臺的最終目的。本文從一個(gè)宏觀的角度提出了一種適宜農(nóng)業(yè)監(jiān)測和控制的WSN應(yīng)用框架WSNFFA,從數(shù)據(jù)流的角度將WSN平臺主要?jiǎng)澐譃?層,即信息的采集及會(huì)聚、信息的傳輸及數(shù)據(jù)的管理和顯示。同時(shí),WSNFFA闡述了相鄰兩層之間的接口及通信方式方法,詳細(xì)流程如此圖1所示。1.2信息采集會(huì)聚模塊及與上層接口信息的采集與會(huì)聚部分主要實(shí)現(xiàn)目的信息的采集并將信息傳輸至?xí)酃?jié)點(diǎn)。該部分也是當(dāng)前大多相關(guān)研究關(guān)注的熱門。監(jiān)測區(qū)域由大量的節(jié)點(diǎn)組成,節(jié)點(diǎn)由微處理器、傳感器、無線通信模塊組成,如此圖2所示。微控制器通過傳感器采集信息,通過無線通信模塊與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。當(dāng)前,ZigBee通信技術(shù)以其低功耗、自組網(wǎng)、低成本、支持大量的節(jié)點(diǎn)而遭到諸多研究及應(yīng)用者的青睞。在人類難以接觸的環(huán)境,如戰(zhàn)場、原始森林等,通過飛機(jī)拋灑大量的節(jié)點(diǎn)到監(jiān)測區(qū)域,節(jié)點(diǎn)通過不斷地交換信息更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。然而,農(nóng)田環(huán)境中,人類容易接觸,能夠通過手工的部署節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對目的準(zhǔn)確的監(jiān)測,降低成本。同時(shí),農(nóng)田環(huán)境的監(jiān)測大多只需以固定的時(shí)間間隔進(jìn)行信息采集即能知足監(jiān)測要求,且農(nóng)田中節(jié)點(diǎn)的查看和電池更換方便。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由于節(jié)點(diǎn)間頻繁的通信會(huì)造成不必要的能量浪費(fèi),不適宜于農(nóng)田中的WSN應(yīng)用?；赥DMA的信息傳輸方式,把時(shí)間劃分為一個(gè)個(gè)時(shí)隙,節(jié)點(diǎn)只能在自個(gè)分配的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。該方式方法避免了節(jié)點(diǎn)間頻繁通訊而浪費(fèi)能量。同時(shí),在非分配的時(shí)間,節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量。基于TDMA的協(xié)議對于節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步性要求較高,為了使各個(gè)節(jié)點(diǎn)同步,在所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送間隙之后設(shè)置一個(gè)同步間隙。在同步間隙,簇首節(jié)點(diǎn)廣播信息,各節(jié)點(diǎn)收到信息后進(jìn)行時(shí)間同步,如此圖3所示。若監(jiān)測區(qū)域較大,把WSN節(jié)點(diǎn)劃分為若干個(gè)簇,每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和若干個(gè)采集節(jié)點(diǎn)組成,采集節(jié)點(diǎn)只于自個(gè)的簇頭通信,簇頭之間相互通信通太多跳把數(shù)據(jù)發(fā)送至?xí)酃?jié)點(diǎn)。在會(huì)聚節(jié)點(diǎn)把采集的數(shù)據(jù)正確有序地傳輸至數(shù)據(jù)接收服務(wù)器,是信息監(jiān)測平臺運(yùn)行的有力保障。GPRS技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、永久在線,能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。WSNFFA采用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從信息采集的WSN網(wǎng)絡(luò)與用戶端Internet網(wǎng)絡(luò)的傳輸。當(dāng)前,大多GPRS模塊已固化了TCP/IP協(xié)議棧,使用方便。在數(shù)據(jù)接收服務(wù)器端,WSNFFA采用Socket技術(shù)接收GPRS發(fā)來的數(shù)據(jù)。已有一些學(xué)者針對Socket在WSN監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。周樂欽等在分析基于HTTP協(xié)議的AJAX輪訊技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種基于Web-Socket協(xié)議的推送數(shù)據(jù)技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。王堃等在物聯(lián)網(wǎng)平臺的通訊層,利用緩沖池、線程池建立多線程并發(fā)連接,提出一種高效Socket服務(wù)器設(shè)計(jì)方案,最大限度地減少系統(tǒng)開銷和緩存的使用,加強(qiáng)了服務(wù)器的處理能力。1.3數(shù)據(jù)接收服務(wù)器及與上層通訊接口數(shù)據(jù)接收服務(wù)器是WSN和上層數(shù)據(jù)管理和顯示服務(wù)器之間的紐帶,不僅負(fù)責(zé)接收WSN端傳輸來的數(shù)據(jù),還需把數(shù)據(jù)傳輸給上層的數(shù)據(jù)管理和顯示服務(wù)器。WSNFFA采用WebService實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收服務(wù)器和數(shù)據(jù)管理及顯示服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。WebService是一個(gè)公共的網(wǎng)際間對象互操作的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。它具有靈敏的擴(kuò)展性、組織構(gòu)造的松懈耦合、功能強(qiáng)大的交互性及完備的服務(wù)功能等特點(diǎn)。1.4數(shù)據(jù)管理及顯示數(shù)據(jù)管理和顯示服務(wù)器是WSN采集數(shù)據(jù)的最終目的,它存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)友好地展示給用戶,是與用戶的接口。數(shù)據(jù)管理和顯示服務(wù)器主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的更新和顯示、歷史數(shù)據(jù)的管理和采集時(shí)間間隔的控制等。WSNFFA采用B/S架構(gòu),用戶只需通過閱讀器即可實(shí)現(xiàn)對信息的查看及管理。使用XML存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。XML(ExtensibleMarkupLanguage,可擴(kuò)展標(biāo)記語言)是一種簡單易用的面向網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展標(biāo)記語言,具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈敏性強(qiáng)、可自描繪敘述性等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于Web服務(wù)等多種應(yīng)用中。用戶展示接口是WSN應(yīng)用平臺的最終目的,界面的友好性及用戶的個(gè)人體驗(yàn)決定了WSN平臺的成敗。為了提高用戶體驗(yàn)水平,采用Javascript實(shí)現(xiàn)頁面不刷新的動(dòng)態(tài)顯示;為了直觀明了,實(shí)現(xiàn)了各種參數(shù)的數(shù)據(jù)曲線走勢圖的實(shí)時(shí)顯示。2、實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了驗(yàn)證WSNFFA框架,設(shè)計(jì)了用于實(shí)現(xiàn)蘋果園環(huán)境監(jiān)測的WSN系統(tǒng)平臺,能實(shí)現(xiàn)對果園環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度及光照強(qiáng)度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。WSN信息采集與會(huì)聚部分的微處理器采用TI公司的CC2530。CC2530內(nèi)部集成了一個(gè)加強(qiáng)型8051單片機(jī),含高達(dá)256kB的閃存,支持2.4GHzIEEE802.15.4射頻收發(fā),是片上系統(tǒng)高度集成的芯片解決方案。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊采用西門子公司生產(chǎn)的MC55I,內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧,性能穩(wěn)定。在通訊經(jīng)過中,通過短信發(fā)送AT指令給MC55I模塊設(shè)置服務(wù)信息接收服務(wù)器的IP地址,設(shè)置成功后,便能將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)與Internet的通信鏈路。數(shù)據(jù)接收服務(wù)器的用戶界面如此圖4所示。數(shù)據(jù)接收服務(wù)器通過一個(gè)定時(shí)器控件實(shí)現(xiàn)按設(shè)置的采集時(shí)間間隔發(fā)送命令給網(wǎng)關(guān),請求網(wǎng)絡(luò)參數(shù)或采集的數(shù)據(jù)。同時(shí)啟用一個(gè)后臺線程通過Socket接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收服務(wù)器通過一個(gè)定時(shí)器控件實(shí)現(xiàn)按設(shè)置的采集時(shí)間間隔發(fā)送命令給網(wǎng)關(guān),請求網(wǎng)絡(luò)參數(shù)或采集的數(shù)據(jù),同時(shí)啟用一個(gè)后臺線程通過Socket接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收服務(wù)器接收的數(shù)據(jù)通過Webservice傳輸給上層的數(shù)據(jù)管理及顯示服務(wù)器的XML,數(shù)據(jù)管理及顯示服務(wù)器通過XML實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。為了提高用戶體驗(yàn)水平,采用了Javascript及ajax實(shí)現(xiàn)頁面不刷新動(dòng)態(tài)顯示(見圖5),且能下載指定時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)。為了直觀明了,設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)顯示各種參數(shù)天天的走勢圖,如此圖6所示。3、結(jié)果和討論物聯(lián)網(wǎng)作為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息革命,成為國內(nèi)外關(guān)注的熱門問題。WSN作為物聯(lián)網(wǎng)的一種關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到軍事、智能家居、農(nóng)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)信息化能推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向知識型農(nóng)業(yè)發(fā)展、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展并提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,在農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有重要作用。研究分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)前WSN在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中大多用于信息監(jiān)控,已有諸多的研究人員針對不同的情況提出了各種WSN平臺,各種研究側(cè)重點(diǎn)不同。WSN只能負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的傳輸管理及各層次之間的接口是構(gòu)建可靠穩(wěn)定WSN系統(tǒng)的必要和關(guān)鍵。同時(shí),友好直觀的用戶界面是WSN成功應(yīng)用的最終目的。鑒于此,本文從應(yīng)用的角度提出了一種適宜農(nóng)業(yè)監(jiān)測和控制的應(yīng)用框架WSNFFA。為了對該框架進(jìn)行分析和驗(yàn)證,基于WSNFFA實(shí)現(xiàn)了蘋果園環(huán)境監(jiān)測的WSN應(yīng)用平臺。試驗(yàn)結(jié)果表示清楚,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能知足蘋果園環(huán)境監(jiān)測的要求。WSNFFA仍然存在有待于改善和提高之處。例如,基于WSNFFA實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測平臺偶有出現(xiàn)數(shù)據(jù)斷流的現(xiàn)象。研究分析表示清楚,斷流原因多是由于Socket失效、不能正確接收數(shù)據(jù)造成的,需重新啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收服務(wù)器解決問題。因而,進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)接收服務(wù)器,尋找并解決數(shù)據(jù)斷流的本質(zhì)原因,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的強(qiáng)健性和可靠性,是下一步需要解決的問題。同時(shí),完善上層的數(shù)據(jù)管理和顯示服務(wù)器,提高用戶體驗(yàn)水平;構(gòu)建高效的數(shù)據(jù)架構(gòu),為農(nóng)業(yè)專家及農(nóng)戶提供更便利的服務(wù)接口,也至關(guān)重要。以下為參考文獻(xiàn):[1]裴素萍,吳必瑞.基于物聯(lián)網(wǎng)的土壤含水率監(jiān)測及灌溉系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研