屈曉淵，張 峰

（榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

物聯(lián)網(wǎng)作為新興的物品信息網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于物質(zhì)種類最多的農(nóng)業(yè)，通過物聯(lián)網(wǎng)將鮮活農(nóng)產(chǎn)品的生長(zhǎng)狀態(tài)、環(huán)境變化反應(yīng)、儲(chǔ)藏保鮮、流通質(zhì)量安全與設(shè)備、機(jī)器、人的主動(dòng)行為緊密結(jié)合，將對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要的影響[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，節(jié)水灌溉涉及工程、農(nóng)業(yè)、生物、自動(dòng)化、通信等多方面技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)利用傳感器感應(yīng)土壤的水分，并在設(shè)定條件下與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開、關(guān)閉，從而達(dá)到自動(dòng)節(jié)水灌溉的目的。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有多跳路由、信息互遞、自組網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間同步等特點(diǎn)，使灌區(qū)面積、節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以不受限制，因此可以靈活增減輪灌組。加上節(jié)點(diǎn)具有土壤、植物、氣象等測(cè)量采集裝置，利用通信網(wǎng)關(guān)的Internet功能與GPS技術(shù)結(jié)合，形成灌區(qū)動(dòng)態(tài)管理信息采集分析技術(shù)，配合作物需水信息采集與精量控制灌溉技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)等，可構(gòu)建高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺(tái)。用戶還可在溫室、庭院花園綠地、高速公路中央隔離帶、農(nóng)田井用灌溉區(qū)等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)的定量化、規(guī)范化、模式化、集成化，促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的快速和健康發(fā)展[2]。

1 相關(guān)技術(shù)及研究現(xiàn)狀

在物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件方面也取得了相應(yīng)的突破，在基于國(guó)外的操作系統(tǒng)之上，開發(fā)自己的中間件軟件。如南京郵電大學(xué)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心開發(fā)的基于移動(dòng)代理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件平臺(tái)，深聯(lián)科技開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)套件。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在理論研究方面，如對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、算法、體系結(jié)構(gòu)等方面，提出了許多具有創(chuàng)新性的想法與理論。在這方面，國(guó)內(nèi)的南京郵電大學(xué)、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)等都取得了一些相關(guān)的理論研究成果。

在國(guó)外，美國(guó)很多大學(xué)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面開展了大量工作。如加州大學(xué)洛杉磯分校的CENS（Center for Embedded Networked Sensing）實(shí)驗(yàn)室、WINS（Wireless Integrated Network Sensors）實(shí)驗(yàn)室和IRL（Internet Research Lab）等。

筆者借鑒國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉自控系統(tǒng)的相關(guān)研究，通過研究基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水灌溉自控系統(tǒng)處理方案，對(duì)原有的基于Web節(jié)水灌溉自控系統(tǒng)處理方案進(jìn)行了一定的改進(jìn)，并在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用，取得了良好的效果。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水灌溉自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到該節(jié)水系統(tǒng)中，其核心技術(shù)是應(yīng)用ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)。ZigBee是一種低龐雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低本錢、高牢靠信度、大網(wǎng)絡(luò)容量的雙向無線通訊技術(shù)[3]。由使用層、網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)接人控制層和物理層組成?；赯igBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決了有線傳輸帶來成本過高、布線復(fù)雜、維護(hù)麻煩、靈活性和擴(kuò)展性差等一系列問題，既節(jié)省了人力資源，又方便了信息的管理，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵煉鋼溫度監(jiān)控，蔬菜大棚溫度、濕度和土壤酸堿度監(jiān)控，煤氣抄表等領(lǐng)域，它為該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了較好的解決方案。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制中心，由無線傳感節(jié)點(diǎn)（RFD）、無線路由節(jié)點(diǎn)（FFD）、無線網(wǎng)關(guān)（FFD）、監(jiān)控中心4大局部組成，議決ZigBee自組網(wǎng)，監(jiān)控中心、無線網(wǎng)關(guān)之間議決GPRS舉行墑情及控制信息的傳遞。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)議決溫濕度傳感器，自動(dòng)采集墑情信息，并結(jié)合預(yù)設(shè)的濕度上下限舉行剖析，判別能不能須要灌溉及什么時(shí)辰中止。每個(gè)節(jié)點(diǎn)議決太陽能電池供電，電池電壓被隨時(shí)監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出電壓過低的報(bào)警信號(hào)，發(fā)送成功后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠形態(tài)直到電量充足。其中無線網(wǎng)關(guān)銜接ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的中心局部，擔(dān)任無線傳感器節(jié)點(diǎn)的維護(hù)。傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)自主構(gòu)成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)。溫濕度傳感器散布于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給就近的無線路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)依據(jù)路由算法挑選最好路由，樹立相應(yīng)的路由列表，其中列表中包含本身的信息和鄰居網(wǎng)關(guān)的信息。議決網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，便于用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬節(jié)水灌溉自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)壤含水量的監(jiān)，EC（電導(dǎo)率）值和pH值的監(jiān)測(cè)，電磁閥狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，電磁閥狀態(tài)的控制，各種監(jiān)測(cè)和控制信號(hào)的通訊傳輸和低電壓報(bào)警。每個(gè)控制單元控制著 1～6路電磁閥。通過傳感器采集來的多路數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，信號(hào)處理，在微處理器中，根據(jù)不同植被需求，確定灌溉量，然后控制信號(hào)輸出，結(jié)合中央管理計(jì)算機(jī)的指令，控制電磁閥的開關(guān)，即可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。土壤濕度傳感器用來測(cè)量土壤的濕度，以了解土壤的真實(shí)灌溉情況，據(jù)此確定灌溉與否和時(shí)間長(zhǎng)短；配有EC（電導(dǎo)率）值和pH值傳感器，可對(duì)進(jìn)出水進(jìn)行EC值和pH值的檢測(cè)，以便控制自動(dòng)營(yíng)養(yǎng)液的配給。其主要工作原理框圖如圖2所示。

圖1 節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Water-saving irrigation system structure

圖2 傳感器硬件控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Sensor nodes hardware control structure

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)運(yùn)用Internet環(huán)境，采用B/S模式進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)服務(wù)器端操作系統(tǒng)選用Linux，主要技術(shù)為Java EE和使用Java語言編程，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)選用Oracle11g。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心。以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中介環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)狀況以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上，使得操作人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令能迅速地到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。軟件的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.3 Softwere structure of system

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水灌溉自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 傳感器數(shù)據(jù)處理中間件的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與控制功能，可以通過硬件驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備通信，完成數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)，傳感器中間件的功能模塊應(yīng)該包含如下幾個(gè)功能模塊:Reader接口模塊、邏輯驅(qū)動(dòng)器映射模塊、傳感器數(shù)據(jù)過濾模塊、業(yè)務(wù)規(guī)則過濾模塊、設(shè)備管理與配置模塊、上層服務(wù)接口模塊[4]。其中，Reader接口用于中間件與傳感器讀寫器的數(shù)據(jù)通信，主要有獲取傳感器數(shù)據(jù)以及下達(dá)設(shè)備管理模塊的讀寫器指令。設(shè)備管理配置模塊用于調(diào)整傳感器讀寫設(shè)備的工作狀態(tài)，配置相應(yīng)的Reader接口參數(shù)等，邏輯讀寫器映射模塊用于將多個(gè)物理讀寫器或者讀寫器的多條天線映射成為一個(gè)邏輯讀寫器。

控制程序和參數(shù)設(shè)置由傳感器數(shù)據(jù)處理中間件所提供的編程語言在腳本程序中編寫。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的控制程序的流程圖，如圖4所示。首先由傳感器采集數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的報(bào)警限值決定是否控制調(diào)節(jié)閥放水，使農(nóng)田的土壤濕度達(dá)到目標(biāo)值。

圖4 系統(tǒng)控制處理流程圖Fig.4 Flow chart of control procedure

3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法研究

路由協(xié)議解決的是數(shù)據(jù)傳輸問題，它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一，是保證網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵技術(shù)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能力的限制，傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議一般不能適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[5]。傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)放在無線通信的服務(wù)質(zhì)量（Qos）上[6]，而WSN由于節(jié)點(diǎn)能量有限，帶寬資源也有限，其路由協(xié)議的研究重點(diǎn)放在如何提高能量效率和維持負(fù)載均衡上。為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的需求，MIT的Heinzelman等人開發(fā)了低能量自適應(yīng)分簇路由協(xié)議LEACH[7]，LEACH是第一個(gè)基于多簇結(jié)構(gòu)的集群路由協(xié)議，與傳統(tǒng)協(xié)議相比，它能較好節(jié)省能量。LEACH的成簇方法貫穿于其后提出的很多層次路由協(xié)議中，后來很多分簇路由協(xié)議（如TEEN，PEGASIS）都是在其基礎(chǔ)上發(fā)展而來，對(duì)它的研究成果也可適用于其它很多路由協(xié)議中。因此本文就主要對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行研究討論。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由設(shè)計(jì)首要考慮的是能量問題，所以有必要研究信道能量損耗模型。不同的通信特征，就會(huì)有不同的能量消耗模型。

信道能量模型有自由空間傳播模型和多路衰減模型。如果接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的距離小于某個(gè)臨界值d0，則使用自由空間模型；否則，使用多路衰減模型。臨界值定義如下：

其中，α是路徑損耗指數(shù)，hr是接收天線高度，ht是發(fā)送天線高度，λ是信號(hào)波長(zhǎng)。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸k bit數(shù)據(jù)到與之距離為d的接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，由下面的公式計(jì)算發(fā)射節(jié)點(diǎn)能耗。

信號(hào)強(qiáng)度的損耗與傳輸距離的遠(yuǎn)近有關(guān)。當(dāng)傳輸距離相對(duì)較近時(shí)，采用自由空間傳播模型，路徑損耗指數(shù)為2，當(dāng)傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，采用多路衰減模型，路徑損耗指數(shù)為4。其中，ETx-elex（k）是發(fā)射k bit數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)射電路的能量消耗，ETx-amp（k，d）是發(fā)射k bit數(shù)據(jù)且傳輸距離為d時(shí)功率放大器的能量消耗。Eelec為每bit數(shù)據(jù)在發(fā)射電路或接收電路中所消耗的能量。常數(shù)εfs和εmp與所采用的傳輸信道模型有關(guān)，采用自由空間傳輸時(shí)用εfs，采用多路徑衰落傳輸時(shí)用εmp。

3.3 算法仿真與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)的路由協(xié)議的性能，用計(jì)算機(jī)對(duì)算法做出了仿真。仿真采用的網(wǎng)絡(luò)模型為：

1）假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中共有200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量設(shè)為0.20 J。

2）采用自由空間傳播模型。

3）網(wǎng)絡(luò)為60 m×40 m的正方形區(qū)域，基站位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的中心。

4）假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置信息是已知的。

信道能量損耗模型參數(shù)如表1所示，網(wǎng)絡(luò)能量的消耗情況如圖5所示，橫坐標(biāo)表示網(wǎng)絡(luò)工作的輪數(shù)，縱坐標(biāo)表示當(dāng)前輪網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行總共能耗的能量，單位為焦耳。用戶端數(shù)據(jù)顯示界面如圖5所示。

表1 信道能量損耗模型參數(shù)Tab.1 Energy loss channel model parameters

圖5 能量消耗網(wǎng)絡(luò)算法的傳感器網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Energy consumption of sensor network algorithms network

4 結(jié) 論

筆者所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水灌溉自控系統(tǒng)，它具有高度自動(dòng)化的特點(diǎn)。目前基于該方案開發(fā)的節(jié)水灌溉自控系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)某蔬菜企業(yè)安裝使用，今后將根據(jù)用戶的反饋繼續(xù)完善。

[1]ZigBee Alliance.ZigBee specification:ZigBee document 053474r06 Version 1.0[S].2004.

[2]Sarma S， Brock D，Ashton K.The networked physical world[EB/OL].（2000-10-01）.http://www.emory.edu//BUSINESS/dra/Networked Physical world.pdf.

[3]Warneke B，Last M，Liebowitz B， et al.Smart dust:communicating with a cubic-millimeter computer[J].IEEE Computer Magazine，2001，34（1）:44-51.

[4]Akyildig I F.A survey on sensor networks[J].IEEE Communications Magazine，2002（8）:725-734.

[5]Meguerdichian S， Koushanfar F， Potkonjak M，et al.Coverage problems in wireless ad-hoc sensor networks[C]//In:Proc.of the IEEE Infocom，2001（3）:1380-1387.

[6]Hightower J，Boriello G.Location systems for ubiquitous computing[J].Computer，2001，34（8）:57-66.

[7]Catovic A，Sahinoglu Z.The cramer-rao bounds of hybrid TOA/RSS and TDOA/RSS location estimation schemes[J].IEEE Communication，Letter，2004，8（10）:626-628.