李克偉 劉占云

摘要：與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，作為新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，擁有許多傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)沒有的特點(diǎn)，例如攜帶方便，可以自由組網(wǎng)擴(kuò)展，成本低等，因此，在溫室測控系統(tǒng)中，新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)逐漸取代了采用現(xiàn)場總線的傳統(tǒng)技術(shù)，成為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的前沿技術(shù)。文章介紹了溫室WSN （Wireless Sensor Network）測控系統(tǒng)模型，并針對時延與數(shù)據(jù)丟包率對測控系統(tǒng)造成的影響進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）：溫室測控系統(tǒng)；時延：丟包率

建立在充分利用自然資源基礎(chǔ)上的溫室測控系統(tǒng)通過改變影響農(nóng)作物生長的光照、溫度等條件，優(yōu)化農(nóng)作物生長環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量有所提高，增加溫室的經(jīng)濟(jì)效益。目前，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在溫室測控系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)越來越重要。

1 典型的溫室測控系統(tǒng)模型

該系統(tǒng)模型的主要組成部分包括：監(jiān)控中心、傳感器以及控制設(shè)備等，其他還有一些傳輸檢測儀器，這些設(shè)備儀器主要是檢測控制溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、CO₂以及營養(yǎng)液：

（1）溫度控制：通過覆蓋薄膜太陽光的照射，溫度增加比較明顯。利用暖風(fēng)機(jī)供暖就是利用功率比較大的暖風(fēng)機(jī)將暖風(fēng)導(dǎo)入到溫室中來增溫。還可以采取其他的方法給溫室增溫，例如管道加熱、增加內(nèi)保溫網(wǎng)等方法。如果需要給溫室降溫，則可以通過一些降溫設(shè)備來完成，例如在屋頂安裝噴淋系統(tǒng)、高壓噴霧系統(tǒng)，或者在溫室內(nèi)安裝濕簾風(fēng)機(jī)，還可以通過改變溫室外遮蓋物的措施來實現(xiàn)。

（2）濕度控制：可以利用濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和高壓噴霧系統(tǒng)增加溫室的濕度。如果溫室的濕度太大，需要除濕，則可以通過自然通風(fēng)或者用大型的吹風(fēng)機(jī)增快空氣流動實現(xiàn)快速除濕的目的。

（3）光照控制：如果需要減少溫室的光照，可以在自然光照的溫室中利用反光膜、遮陽網(wǎng)等。當(dāng)需要增加光照時，安裝高壓鈉燈或者熒光燈，在一定的時段進(jìn)行照明。

（4） C0₂控制：利用C02施肥系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)對溫室內(nèi)的CO₂濃度進(jìn)行實時控制。

（5）營養(yǎng)液控制：這里主要是將營養(yǎng)液放入滴灌設(shè)備中，利用滴灌設(shè)施管道上的排出口進(jìn)行灌溉。

從日本和歐洲很多國家的經(jīng)驗來看，溫控系統(tǒng)中運(yùn)用較多的是現(xiàn)場總線控制技術(shù)，該技術(shù)使用時間較長，有著成熟的技術(shù)經(jīng)驗。圖1描述的就是基于CAN總線的溫室測控系統(tǒng)。單獨(dú)的空間內(nèi)，就像一個個小型溫室，可以使用CAN控制器，在通過線路相關(guān)的采集站點(diǎn)和調(diào)控站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。一個個子系統(tǒng)通過分開的傳輸線路、控制器，給總控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收總控制中心的及時命令?？偪刂浦行目刂朴嬎銠C(jī)可與有網(wǎng)絡(luò)接連的遠(yuǎn)程管理計算機(jī)相連，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)，但這樣增加了溫室的整體成本，并不適合我國的國情。

2 溫室WSN測控系統(tǒng)模型

本文以農(nóng)業(yè)溫室為背景，綜合運(yùn)用自動控制技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)，充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)成本低、配置靈活、使用方便等優(yōu)勢，研究基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)。

2.1 簡易溫室WSN測控系統(tǒng)

在溫室的測控區(qū)域中有許多無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都安裝有采集各種數(shù)據(jù)的傳感器，用來采集溫室中影響作物生長的自然條件的數(shù)據(jù)信息。通過設(shè)計合理的匯聚節(jié)點(diǎn)，將溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)及時通線網(wǎng)絡(luò)交換，并且保持上位機(jī)的及時通信，上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)更新變得更加靈活，提高信息數(shù)據(jù)的傳輸、發(fā)送效率。在溫室內(nèi)，設(shè)計相應(yīng)的無線控制節(jié)點(diǎn)與控制器，及時收集數(shù)據(jù)，并且下達(dá)給無線控制節(jié)點(diǎn)后，把相應(yīng)的控制器打開，就可以對溫室進(jìn)行實時測控，這樣便組成一個簡易的溫室WSN測控系統(tǒng)（見圖2）。

2.2 大型溫室WSN測控系統(tǒng)整體設(shè)計

目前，溫室技術(shù)相對有了比較大的發(fā)展，溫室建設(shè)也因市場化的要求規(guī)模越來越大，但由于無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備傳輸距離有所限制，還不能夠完全達(dá)到先進(jìn)的、高標(biāo)準(zhǔn)的溫室建要求。在這種情況下，對其進(jìn)行塊狀區(qū)域分割也是一種切實可行的辦法。在本文的設(shè)計中，把一個較大的溫室分割成幾個小塊獨(dú)立控制的區(qū)域，如圖3所示。需要注意的是，不能遺漏任何一個測繪區(qū)。注意測繪區(qū)中匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，并且和傳感器、控制節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成了許多個相互獨(dú)立的子網(wǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)識符確定所隸屬的匯聚節(jié)點(diǎn)。所有的匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)及控制節(jié)點(diǎn)相互連接構(gòu)成了一個網(wǎng)，對溫室內(nèi)的溫度、適度、光照、空氣成分等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)采集和分析。利用分散在不同區(qū)域的匯聚節(jié)點(diǎn)和基站實現(xiàn)總體數(shù)據(jù)的大范圍控制?；矩?fù)責(zé)與各部分的匯聚節(jié)點(diǎn)通信，通過管理所有匯聚節(jié)點(diǎn)來實現(xiàn)單個溫室的網(wǎng)絡(luò)化控制；監(jiān)控中心是多個溫室網(wǎng)絡(luò)集群的總控制臺，也是整個溫室網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和管理。這樣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測控區(qū)域通過各個基站與匯聚節(jié)點(diǎn)串聯(lián)在一起，使測控面積得到延伸，實現(xiàn)了溫室大型化、分區(qū)化管理。

2.3 溫室WSN測控系統(tǒng)工作原理

在溫室WSN測控網(wǎng)絡(luò)中，無線傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集、提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息；作為溫室測控系統(tǒng)的管理和驅(qū)動部分，控制節(jié)點(diǎn)用來接收上層發(fā)出的命令，然后發(fā)出指令從而優(yōu)化植物生長環(huán)境；匯聚節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)場數(shù)據(jù)的匯集點(diǎn)與中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)管理前端設(shè)備，并且會對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行如數(shù)據(jù)融合等簡單的處理工作；基站是整個溫室的數(shù)據(jù)中心和控制中心，管理、調(diào)度匯聚節(jié)點(diǎn)；控制中心是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K點(diǎn)，是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的決策者和命令發(fā)出者。

只有各組成部分協(xié)調(diào)合作才能完成一次完整的溫室WSN測控工作。首先，傳感器節(jié)點(diǎn)要保證采集到的濕度、溫度等狀態(tài)信息能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)；其次，匯聚節(jié)點(diǎn)要經(jīng)過多跳后將各項數(shù)據(jù)傳送給基站，再由基站對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；最后，將其發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，并將收到的信息進(jìn)行比對分析，將數(shù)據(jù)反映的各項問題作出指令，基站再將控制命令經(jīng)過一層層的傳輸發(fā)送到各個控制節(jié)點(diǎn)上，實現(xiàn)溫室WSN的自動控制。整個溫室測控過程如圖4所示。

3 時延與丟包特性

比較成熟、完整的溫室WSN測控系統(tǒng)不僅要有采集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、成本低等特點(diǎn)，還應(yīng)該有一定的容錯能力。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室WSN測控系統(tǒng)，出現(xiàn)時延現(xiàn)象與丟失數(shù)據(jù)包現(xiàn)象是避免不了的，所以，對測控系統(tǒng)的時延和丟包率的容忍程度的研究與分析就變得更加重要。

3.1 時延產(chǎn)生原因及種類

由于控制對象本身存在時滯，控制算法比較復(fù)雜，加上外界環(huán)境的干擾等，時延問題比較普遍地存在于溫室WSN測控系統(tǒng)中。

如圖5所示，將監(jiān)控系統(tǒng)的信息采樣周期為T，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)化所用的時間用τ₁表示；匯聚節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)給基站所用時間設(shè)為τ₂；基站將數(shù)據(jù)融合后發(fā)送給遠(yuǎn)程的控制中心，這段時間設(shè)為τ₃；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心收到數(shù)據(jù)后，會對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理再回傳給基站，這一系列過程所用的時間設(shè)為τ₄；τ₅是基站把命令發(fā)給對應(yīng)的匯聚節(jié)點(diǎn)所用的時間；匯聚節(jié)點(diǎn)將命令發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)時延設(shè)為τ₆；控制節(jié)點(diǎn)最終將命令發(fā)送給控制設(shè)備上，這些設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所花時延設(shè)為τ₇。這樣，一個完整的WSN測控過程（設(shè)為第k次采樣）總時延：

τ（k）=τ₁（k）+τ₂（k）+τ₃（k）+τ₄（k）+τ₅（k）+τ₆（k）+τ₇（k） （2）

如今信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息處理傳遞時間已經(jīng)非?？?，因此，τ₃，τ₄，τ₅，τ₇幾乎是可以忽略不計的。這樣，式（2）可簡化為：

τ（k）=τ₁（k）+τ₂（k）+τ₆（k）

（3）

由于測控系統(tǒng)中的各個設(shè)備都基本是固定的，τ₁，τ₂，τ₆又都是數(shù)據(jù)包在經(jīng)過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸時產(chǎn)生的時延，因此，公式（3）中，τ₁（k），τ₂（k），τ₆（k），可以合并為τ（k）。

3.2 數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象

在測控系統(tǒng)中的信息采集、設(shè)備傳輸?shù)裙ぷ骰径际峭ㄟ^網(wǎng)絡(luò)完成的，這些設(shè)備在信息采集、傳輸數(shù)據(jù)時，不僅會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延的情況，還會出現(xiàn)數(shù)據(jù)接收故障和數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。

在各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)中，能夠造成數(shù)據(jù)包丟失問題出現(xiàn)的大概有2種情況：（l）測控系統(tǒng)本身主動放棄接收數(shù)據(jù)包以達(dá)到某種保護(hù)目的。比如檢測系統(tǒng)在一個時間段內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)，就會忽略掉這個時段，直接接收下一個時間段的數(shù)據(jù)，這就確保了測控系統(tǒng)能夠?qū)崟r、有效地處理數(shù)據(jù)，提高測控系統(tǒng)的性能；（2）測控系統(tǒng)的某些設(shè)備本身就有缺陷，例如傳感器節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)競爭失敗、數(shù)據(jù)碰撞、數(shù)據(jù)堵塞等情況，造成數(shù)據(jù)包傳輸故障或者丟失。數(shù)據(jù)包丟失的情況會降低整個測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

一個健全的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)具有一定的容錯和自我恢復(fù)能力，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的高丟包率的特點(diǎn)將對整個基于WSN的測控系統(tǒng)穩(wěn)定性造成一定的影響，也是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)亟待解決的重點(diǎn)之一。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用還處于探索階段，很多技術(shù)都不成熟，國內(nèi)外的眾多學(xué)者在這個領(lǐng)域的研究也只是為了保證并提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命和通信的準(zhǔn)確率。由于無線網(wǎng)絡(luò)相對于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時延更長，數(shù)據(jù)包丟失率也更高，測控系統(tǒng)穩(wěn)定性比較低，如果系統(tǒng)時延或數(shù)據(jù)包丟失率超過某一特定值，整個測控系統(tǒng)甚至都會癱瘓。今后，針對這方面的研究會越來越多，也會使溫室WSN測控系統(tǒng)更加成熟、穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文對新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對其設(shè)計以及在溫室中的應(yīng)用作了清楚的說明。總體上通過使用該系統(tǒng)，能夠讓溫室控制系統(tǒng)實現(xiàn)平穩(wěn)工作，在不增加投資的情況下，節(jié)約設(shè)備系統(tǒng)的維護(hù)管理成本。同時，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3層溫室測控系統(tǒng)模型，給大規(guī)模建設(shè)溫室提供了理論基礎(chǔ)。本文還針對影響溫室WSN測控系統(tǒng)穩(wěn)定性的2個重要因子——時延和丟包率進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。