王 發(fā)，艾 紅

（北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京100192）

隨著全球氣候的變化以及水資源的日益匱乏，旱災(zāi)已成為世界范圍內(nèi)影響十分嚴(yán)重的自然災(zāi)害，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大影響。加強(qiáng)農(nóng)田土壤旱情監(jiān)測和預(yù)報對于我國農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展意義重大。目前農(nóng)田信息采集重點(diǎn)都在信息采集設(shè)備的開發(fā)和數(shù)據(jù)的傳輸，對數(shù)據(jù)的處理關(guān)注較少。本文引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合嵌入式系統(tǒng)、ZigBee和GPRS技術(shù)設(shè)計了旱災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，將信息采集和數(shù)據(jù)處理有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對土壤信息的監(jiān)控與預(yù)測[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括主控平臺、信息采集終端、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)、管理中心4部分。主控平臺以S3C6410處理器為核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和發(fā)送。信息采集終端由ZigBee節(jié)點(diǎn)搭載溫濕度和光照強(qiáng)度傳感器采集土壤溫濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。信息傳輸網(wǎng)絡(luò)包括ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)2部分。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)后通過S3C6410處理后經(jīng)GPRS模塊將信息上傳管理中心。管理中心對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對旱情進(jìn)行預(yù)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of system

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 主控平臺設(shè)計

主控平臺的硬件分為2部分，其中S3C6410處理器與SDRAM、NandFlash、時鐘和復(fù)位電路等構(gòu)成核心板；電源、UART以及其他接口電路構(gòu)成底板。S3C6410是基于ARM1176JZF-S的16/32位RSIC微處理器，具有低成本、低功耗、高性能特點(diǎn)的應(yīng)用處理器。SDRAM為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的運(yùn)行提供存儲空間。NandFlash一部分空間保存啟動代碼和操作系統(tǒng)，其它空間則用來存儲數(shù)據(jù)。核心板與底板的連接是通過插針接口相連。

2.2 通信模塊設(shè)計

通信模塊包括ZigBee無線通信模塊和GPRS通信模塊。ZigBee無線通信模塊采用基于IEEE802.15.4協(xié)議的CC2530芯片，配以雙晶振和單級天線等外圍電路構(gòu)成。由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器與主控平臺通過串口UART0通信。終端節(jié)點(diǎn)搭載溫濕度和光照強(qiáng)度傳感器組成監(jiān)控點(diǎn)，對土壤的各項指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。溫濕度傳感器采用SLHT5土壤溫濕度傳感器，將SLHT5時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA分別連接到CC2530的P0_0和P0_1接口，通過I/O口模擬I2C時序?qū)鞲衅鬟M(jìn)行控制。光照強(qiáng)度傳感器采用DZD-T4光照強(qiáng)度傳感器，將DZD-T4的串口發(fā)送引腳TXD連接到CC2530的P0_2引腳，將串口接收引腳連接到CC2530的P0_3引腳。GPRS通信模塊選用SIM900模塊實(shí)現(xiàn)。SIM900擁有GPRS/GSM雙頻模塊，具有性能穩(wěn)定功耗低的優(yōu)點(diǎn)。SIM900模塊通過串口UATR1與主控平臺進(jìn)行通信，通信速率設(shè)定為115200 b/s。主控平臺通過AT指令對SIM900進(jìn)行控制，完成相應(yīng)的功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Linux操作系統(tǒng)移植

ZigBee數(shù)據(jù)采集、主控平臺數(shù)據(jù)處理和GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送幾乎都是并行執(zhí)行的，另外系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)ZigBee模塊和GPRS模塊等外設(shè)驅(qū)動，這些用單片機(jī)很難實(shí)現(xiàn)，因此引入Linux系統(tǒng)。分別為這3個并行執(zhí)行的程序開辟一個線程，由Linux系統(tǒng)完成對系統(tǒng)資源的分配與調(diào)度。另外Linux最大特點(diǎn)就是對系統(tǒng)進(jìn)行定制，外接設(shè)備的驅(qū)動可編譯到內(nèi)核中。要在S3C6410平臺上使用Linux系統(tǒng)，需對其進(jìn)行移植。移植首先需建立交叉編譯環(huán)境，然后引導(dǎo)Bootloader，編譯Linux內(nèi)核，最后制作根文件系統(tǒng)。交叉編譯是在一個平臺上生成可在另一個平臺上執(zhí)行的代碼，從而實(shí)現(xiàn)宿主機(jī)上開發(fā)并編譯可在目標(biāo)板上運(yùn)行的代碼。Bootloader是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序運(yùn)行之前運(yùn)行的一段程序，完成硬件設(shè)備初始化，為運(yùn)行Linux內(nèi)核做準(zhǔn)備。Linux系統(tǒng)的移植主要是對Linux內(nèi)核源碼中與硬件相關(guān)的代碼進(jìn)行修改，比如MTD分區(qū)、Nand Flash驅(qū)動等使之可在目標(biāo)板上運(yùn)行。文件系統(tǒng)是一個物理設(shè)備上的任何文件組織和目錄，是操作系統(tǒng)中與管理文件有關(guān)的軟件和數(shù)據(jù)，在Linux下，所有文件和外部設(shè)備都以文件的形式掛接在這個文件系統(tǒng)上，系統(tǒng)宿主機(jī)采用的操作系統(tǒng)是Fedroa14 Linux，使用的交叉編譯器為 arm-linux-gcc-4.3.2，Bootloader選用的是U-boot-2013.04，內(nèi)核版本為Linux3.8.3。

3.2 ZigBee通信程序設(shè)計

ZigBee無線通信模塊使用Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)ZigBee無線組網(wǎng)，采集到的數(shù)據(jù)由終端節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。Z-Stack協(xié)議棧內(nèi)嵌 OSAL（operating system abstraction layer）輪轉(zhuǎn)查詢式多任務(wù)操作系統(tǒng)[2]，OSAL通過osal_add_task（）函數(shù)向任務(wù)表數(shù)組中添加任務(wù)，形成一個任務(wù)鏈表，通過tasksEvents指針訪問任務(wù)表中的每一項，按照優(yōu)先級的高低查詢是否有事件發(fā)生，如果有事件發(fā)生，就會執(zhí)行相應(yīng)的事件處理函數(shù)，處理完后，繼續(xù)訪問任務(wù)鏈表，查看是否有事件發(fā)生。

3.3 GPRS通信程序設(shè)計

系統(tǒng)通過S3C6410對SIM900進(jìn)行控制，與管理中心建立GPRS連接，將采集終端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行?。GPRS模塊工作流程如圖2所示。

圖2 GPRS模塊工作流程Fig.2 GPRS module workflow

GPRS模塊通過UART1與主控平臺進(jìn)行通信，通信協(xié)議采用AT指令集，該協(xié)議的格式是“AT+數(shù)據(jù)+回車”，每一條指令都有應(yīng)答指令。系統(tǒng)首先對GPRS進(jìn)行初始化，以TCP連接的方式連接到管理中心并定義好相應(yīng)的發(fā)送函數(shù)解析AT命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。如果到達(dá)系統(tǒng)設(shè)定的時間時串口中沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，模塊就會向管理中心端發(fā)送一個心跳包，心跳包就是在客戶端和服務(wù)器間定時通知對方自己狀態(tài)的一個自定義的數(shù)據(jù)，管理中心端可以對心跳包數(shù)據(jù)做丟棄處理[3]。

3.4 管理中心軟件設(shè)計

3.4.1 管理中心與主控平臺通信設(shè)計

管理中心與主控平臺采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信方式，主控平臺作為客戶端通過GPRS模塊發(fā)送傳感器采集的數(shù)據(jù)，管理中心作為服務(wù)器接收GPRS模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)。C++builder中網(wǎng)絡(luò)組件 TServerSocket和 TClientSocket封裝 Win Socket編程的各種基本功能，可實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器編程。數(shù)據(jù)采集界面和數(shù)據(jù)變化曲線如圖3～圖6所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集界面Fig.3 Data acquisition interface

圖4 土壤溫度變化曲線Fig.4 Soil temperature change curve

圖5 土壤濕度變化曲線Fig.5 Soil moisture change curve

圖6 光照強(qiáng)度變化曲線Fig.6 Light intensity change curve

3.4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層，按減小輸出值與期望值誤差，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小的原則，從輸出層經(jīng)隱含層再回到輸入層，逐層修正連接權(quán)值，隨訓(xùn)練的不斷進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)對輸入模式匹配的正確率也將逐漸提高[4-5]。系統(tǒng)設(shè)計3層BP網(wǎng)絡(luò)，輸入層由土壤溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度組成，輸出層為土壤濕度，因此輸入層的神經(jīng)元個數(shù)為3；隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)個數(shù)使用經(jīng)驗公式和試湊法確定為5個，輸出層神經(jīng)元個數(shù)為1個。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法可表示如下，Δwki是輸出層權(quán)值的修正量，Δak是輸出層閾值的修正量，Δwij是隱含層權(quán)值的修正量，是隱含層閾值的修正量。根據(jù)以上4個修正量不斷修正網(wǎng)絡(luò)中的閾值和權(quán)值，從而得到最佳的權(quán)值和閾值，是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)輸入值準(zhǔn)確進(jìn)行預(yù)測。

4 系統(tǒng)測試

選取系統(tǒng)中一個監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與精密儀器測量值進(jìn)行比較，來測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，用歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過輸入監(jiān)測數(shù)據(jù)來預(yù)測未來5 d的土壤濕度，并與精密儀器測量值進(jìn)行比較，來測試BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的準(zhǔn)確性。

4.1 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性測試

選取一號監(jiān)控點(diǎn)2014-04-20至2014-04-24采集的土壤溫濕度值和光照強(qiáng)度值分析，系統(tǒng)測量值與精密儀器測量的真實(shí)值關(guān)系如表1所示。

表1 測量值與真實(shí)值對比Tab.1 Comparison of measured value and the true value

從表中測量值與真實(shí)值的對比和誤差可看出，土壤溫度測量值與真實(shí)值誤差范圍為［-0.5，0.5］，土壤濕度測量值與真實(shí)值誤差范圍為［-0.3，0.3］，光照強(qiáng)度測量值與真實(shí)值誤差范圍為［-4，4］，說明系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

4.2 預(yù)測結(jié)果測試

系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對采集到的土壤濕度進(jìn)行預(yù)測，可預(yù)測未來5 d內(nèi)土壤濕度。將多組樣本數(shù)據(jù)輸入到網(wǎng)絡(luò)中，可以得到預(yù)測值，其中2014-06-04至2014-06-08的數(shù)據(jù)預(yù)測值和精密儀器實(shí)測值如表2所示。

表2 預(yù)測值與實(shí)測值對比Tab.2 Comparison of measured value and the true value

從表中實(shí)測值與預(yù)測值的對比和誤差可看出，預(yù)測值與實(shí)測值誤差范圍為［-0.9，0.9］，說明系統(tǒng)可得到較理想的預(yù)測結(jié)果，預(yù)測精度高。

5 結(jié)語

本方案引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立旱災(zāi)預(yù)測模型，成功地將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合嵌入式技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田旱災(zāi)的監(jiān)測，并對旱情進(jìn)行預(yù)測，強(qiáng)化了整個系統(tǒng)的功能。將比較多的新技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)中，較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測方式有了較大的改進(jìn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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