摘 要：針對目前設(shè)施環(huán)境監(jiān)測的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施環(huán)境綜合參數(shù)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)對設(shè)施環(huán)境內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的異地觀測和處理。本文給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，闡述了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS技術(shù)和傳感器技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。在介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對LEACH路由協(xié)議的原理進(jìn)行了簡要說明。系統(tǒng)采用基于自適應(yīng)加權(quán)的數(shù)據(jù)融合算法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，獲得了更合理的數(shù)據(jù)融合效果。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對設(shè)施環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)的無線傳輸以及各種環(huán)境參數(shù)報(bào)表查詢功能。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率快且傳輸距離遠(yuǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能較好地滿足設(shè)施環(huán)境監(jiān)測的要求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)測；LEACH路由協(xié)議；數(shù)據(jù)融合

中圖分類號：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號：A 文章編號：1001-4942（2013）11-0012-05

設(shè)施環(huán)境信息的及時(shí)獲取是進(jìn)行現(xiàn)代化設(shè)施環(huán)境精準(zhǔn)管理的重要基礎(chǔ)，如何快速、準(zhǔn)確地獲取設(shè)施環(huán)境現(xiàn)場的各類環(huán)境數(shù)據(jù)成為目前各類設(shè)施環(huán)境研究的重點(diǎn)[1]。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)施環(huán)境監(jiān)控設(shè)備相繼問世，但這些設(shè)備仍采用有線連接的方式，存在現(xiàn)場安裝與布線繁瑣、設(shè)備移動(dòng)性差、組網(wǎng)復(fù)雜、成本較高、甚至有些場合難以實(shí)現(xiàn)等缺陷。

近年來，無線傳感器技術(shù)[2]與無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展。無線傳感器技術(shù)在農(nóng)作物精確種植中廣泛應(yīng)用，利用無線傳感器技術(shù)精確采集農(nóng)業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的精確管理[3]。本文設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施環(huán)境綜合參數(shù)測試系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]使用戶操作不受空間限制，延伸和擴(kuò)展到遠(yuǎn)程設(shè)施環(huán)境觀測點(diǎn)。用戶可根據(jù)精準(zhǔn)管理和控制的需求，精確采集設(shè)施環(huán)境信息，在設(shè)施環(huán)境內(nèi)組建一個(gè)可視化無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中管理。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)融合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS技術(shù)和傳感器技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

系統(tǒng)由信息采集部分（即物聯(lián)網(wǎng)的感知層）、信息傳輸部分（即物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層）和監(jiān)測中心部分（物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層）組成。信息采集部分應(yīng)用傳感器技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)設(shè)施內(nèi)環(huán)境參數(shù)的檢測，采用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，組建設(shè)施環(huán)境內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并通過路由節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)；信息傳輸部分采用GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心；監(jiān)測中心即系統(tǒng)控制中心，它主要通過軟件平臺(tái)接收存儲(chǔ)來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示出來。

2 方法及實(shí)現(xiàn)

21 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換模塊、微處理器及能量供應(yīng)系統(tǒng)組成，主要負(fù)責(zé)采集設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送給路由節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

微處理器選用TI公司的CC2430芯片。該芯片是一種真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案，這種方案能夠提高系統(tǒng)性能并滿足ZigBee為基礎(chǔ)的24 GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本、低功耗的要求。ZigBee技術(shù)是建立在IEEE802154國際標(biāo)準(zhǔn)上的一種自組織無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有近距離、低功耗、低成本等特點(diǎn)[5]。傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程如下：傳感器模塊采集設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號調(diào)理電路處理和AD轉(zhuǎn)換后送到微處理器，微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，存入存儲(chǔ)器，同時(shí)將數(shù)據(jù)以一定的協(xié)議通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)。

22 分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用分簇拓?fù)錂C(jī)制實(shí)現(xiàn)設(shè)施環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的組織，采用LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）算法[6]。LEACH算法是一種自適應(yīng)分簇拓?fù)渌惴╗7]，使用自適應(yīng)成簇技術(shù)和簇頭節(jié)點(diǎn)的輪換技術(shù)。LEACH能夠較好地解決能量有效問題，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命可以延長15%。它將所有的節(jié)點(diǎn)分為若干簇，每個(gè)簇選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭，簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)作為成員。它的原理是周期性地選擇簇頭，把整個(gè)周期內(nèi)所需要的能量負(fù)載均勻地分布給簇內(nèi)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上，其產(chǎn)生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。每個(gè)周期分為簇建立（Set-up Phase）和穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信（Steady-state Phase）兩個(gè)階段。簇建立階段主要為分簇結(jié)構(gòu)的形成階段；穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信階段主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。在簇建立階段，相鄰節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地建立簇，然后在簇內(nèi)產(chǎn)生簇頭。選舉哪個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭取決于網(wǎng)絡(luò)中所需簇頭的數(shù)目以及每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)成為簇頭的次數(shù)。在穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭對傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

23 數(shù)據(jù)傳輸部分設(shè)計(jì)

24 數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用

25 監(jiān)測中心部分設(shè)計(jì)

監(jiān)測中心的主要功能是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析、處理和存儲(chǔ)。監(jiān)測中心由數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)單元、基于WEB的數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用單元組成。數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)監(jiān)聽指定端口，判斷并識(shí)別數(shù)據(jù)采集終端發(fā)出的連接請求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果通過校驗(yàn)則存入數(shù)據(jù)庫?；赪EB的數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用單元采用ASPNET動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)，通過VS2010開發(fā)工具和C#等混合語言編程，采用B/S模式設(shè)計(jì)，用戶只需要登錄客戶端瀏覽器即可訪問此Web應(yīng)用程序。用戶登錄訪問時(shí)，系統(tǒng)將讀取SQL Server數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)分析等綜合功能。

3 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證提出的系統(tǒng)方案的可行性和有效性，我們進(jìn)行了測試試驗(yàn)。將系統(tǒng)安裝在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗(yàn)站6號溫室，試驗(yàn)中部署有1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)、6個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，所測量的環(huán)境參數(shù)包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照度、太陽輻射、CO2濃度等。傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在各路由節(jié)點(diǎn)周圍，匯聚節(jié)點(diǎn)通過GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)相連。服務(wù)器上數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)單元接收并存儲(chǔ)各環(huán)境參數(shù)。設(shè)置采集周期為10分鐘，試驗(yàn)從2012年6月份開始并且仍在持續(xù)。

用戶通過瀏覽器能對數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽與分析，尤其可通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用和在線圖表分析，各種環(huán)境參數(shù)的變化及趨勢非常清楚地呈現(xiàn)在用戶面前（如圖6、圖7所示）。

4 結(jié)束語以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)施環(huán)境的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施環(huán)境綜合參數(shù)測試系統(tǒng)，本文分別從系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層進(jìn)行了分析。系統(tǒng)采用分簇拓?fù)錂C(jī)制實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組織，延長了傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。同時(shí)針對設(shè)施環(huán)境結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，系統(tǒng)采用了一種適用于設(shè)施環(huán)境的多傳感器自適應(yīng)加權(quán)融合算法。系統(tǒng)經(jīng)過一年連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行表明，其工作性能穩(wěn)定、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率快、距離遠(yuǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能較好地滿足設(shè)施環(huán)境監(jiān)測的要求。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，其在設(shè)施環(huán)境中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，對促進(jìn)整個(gè)設(shè)施生產(chǎn)具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)：

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