郭蓉++楊平先++王晶

摘要：利用ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合的方式，構(gòu)建農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集土壤環(huán)境數(shù)據(jù)。為解決多傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合精度低的問題，提出了一種改進(jìn)型的分批估計(jì)自適應(yīng)加權(quán)融合算法，首先對(duì)單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)根據(jù)容許函數(shù)的閾值剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，然后對(duì)該傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分批估計(jì)得出該節(jié)點(diǎn)某一段時(shí)間內(nèi)的最優(yōu)估計(jì)值，得到該區(qū)域所有傳感節(jié)點(diǎn)最優(yōu)估計(jì)值后，依據(jù)權(quán)值最優(yōu)分配原則對(duì)每組傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行組內(nèi)自適應(yīng)加權(quán)融合，從而計(jì)算得到該時(shí)刻土壤的環(huán)境精確值。試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，改進(jìn)算法數(shù)據(jù)融合易于實(shí)現(xiàn)，融合值相對(duì)誤差值更低，穩(wěn)健性更好。

關(guān)鍵詞：土壤環(huán)境；數(shù)據(jù)融合；分批估計(jì)；自適應(yīng)加權(quán)

中圖分類號(hào)： TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）06-0419-04

收稿日期：2015-05-27

基金項(xiàng)目：人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（編號(hào)：2011RYY02）。

作者簡(jiǎn)介：郭蓉（1980—），女，重慶人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理。E-mail：shoufa125@163.com。我國(guó)是一個(gè)地理?xiàng)l件復(fù)雜、地域廣闊、人口眾多的發(fā)展中農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比較落后，生態(tài)基礎(chǔ)比較脆弱，承受災(zāi)害能力較弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常遭受災(zāi)害的侵?jǐn)_，特別是水資源匱乏。加上傳統(tǒng)灌溉方式對(duì)水資源的利用率低，干旱已對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了很大影響，對(duì)此，學(xué)者們作了大量研究。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee和WCDMA技術(shù)的農(nóng)田土壤遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)大區(qū)域農(nóng)田土壤溫度、濕度、pH值和電導(dǎo)率遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和多終端可視化顯示；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)使用溫、濕度傳感器采集土壤墑情信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心；文獻(xiàn)[3]通過引入菲涅爾反射區(qū)域，結(jié)合仿真和實(shí)測(cè)土壤濕度數(shù)據(jù)、CPS觀測(cè)值開展對(duì)比研究，提出一種利用SNR觀測(cè)值進(jìn)行GPS土壤濕度監(jiān)測(cè)的方法；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息采集節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)部署和數(shù)據(jù)的自主傳輸。然而，目前大部分農(nóng)田信息采集系統(tǒng)重點(diǎn)都在于信息采集設(shè)備的開發(fā)和數(shù)據(jù)的傳輸，而對(duì)數(shù)據(jù)的處理關(guān)注較少，特別是針對(duì)土壤環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究涉及較少[5-6]。因此，為了及時(shí)預(yù)測(cè)土壤干旱程度，加強(qiáng)農(nóng)田土壤旱情的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，本研究結(jié)合ZigBee和GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)土壤環(huán)境預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，為解決多傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合精度低的問題，提出了一種改進(jìn)型的分批估計(jì)自適應(yīng)加權(quán)融合算法。

1土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分由底層無線數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位監(jiān)控模塊等組成，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)須要根據(jù)所采用的硬件器件決定。底層無線數(shù)據(jù)采集模塊是土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由 ZigBee 節(jié)點(diǎn)搭載溫濕度傳感器和光照度傳感器完成土壤數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測(cè)以及底層各節(jié)點(diǎn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信；數(shù)據(jù)傳輸模塊包括ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸和GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸兩部分。傳感器采集到數(shù)據(jù)后經(jīng)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再通過S3C6410處理后經(jīng)GPSR模塊將信息傳給上位監(jiān)控模塊[7]。上位監(jiān)控模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過上位監(jiān)控程序可隨時(shí)了解區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤的相關(guān)信息，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

在底層無線數(shù)據(jù)采集模塊中，各節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過ZigBee的自組網(wǎng)功能形成樹簇型無線傳感網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)功能不同分為終端節(jié)點(diǎn)、樹簇節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)是帶有相應(yīng)傳感器的終端設(shè)備，主要負(fù)責(zé)采集土壤環(huán)境信息，為系統(tǒng)決策提供數(shù)據(jù)參考；樹簇節(jié)點(diǎn)不僅有終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集功能，還有匯總轉(zhuǎn)發(fā)的路由功能；協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，起著承上啟下的作用，對(duì)上實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)下負(fù)責(zé)管理和維護(hù)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。

2土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1主控平臺(tái)

主控平臺(tái)的硬件分兩部分，即S3C6410處理器、256 M DDR SDRAM內(nèi)存和1 GB Nand Flash存儲(chǔ)器、時(shí)鐘和復(fù)位電路等重要部件構(gòu)成核心板，S3C6410采用ARM1176JZF-S的核，包含16 kB的指令數(shù)據(jù)Cache和16 kB的指令數(shù)據(jù)TCM，具有低成本、低功耗、高性能特點(diǎn)，并集成了豐富的接口；DDR SDRAM用于為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的運(yùn)行提供存儲(chǔ)空間。NandFlash存儲(chǔ)器具有容量較大、改寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，其一部分空間用于保存啟動(dòng)代碼和操作系統(tǒng)。在土壤干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，主要設(shè)計(jì)底層無線采集模塊的硬件，目前GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊已成品化，本研究的系統(tǒng)直接采用市場(chǎng)成品，上位監(jiān)控模塊只需要1臺(tái)計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控平臺(tái)即可。所以系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)主要包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee樹簇節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，而樹簇節(jié)點(diǎn)只是比終端節(jié)點(diǎn)多一路由功能，底層硬件無差別，為簡(jiǎn)化工序，底層硬件

只設(shè)計(jì)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。

2.2溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee無線通信模塊采用基于IEEE 802.15.4和ZigBee協(xié)議通信的CC2430芯片，它能以非常低的成本建立完善的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，CC2430以強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機(jī)構(gòu)很高的認(rèn)可，它結(jié)合Chipcon公司全球先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，展示領(lǐng)先的ZigBee解決方案。系統(tǒng)通過溫溫度傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)土壤的溫濕度信息進(jìn)行采集，模塊選用SHT11數(shù)字溫濕度傳感芯片，該芯片內(nèi)部集成溫度傳感器、濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器以及相應(yīng)的通信接口。SHT 11數(shù)字溫濕度傳感芯片具有溫濕度檢測(cè)精度高、抗復(fù)雜環(huán)境能力強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，芯片采用I2C總線接口方式與外部芯片通信。CC2430芯片有21個(gè)可編程I/O引腳，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將P0.0和P0.1分別與SHT 11的SCK線和DATA線連接。SCK時(shí)鐘線負(fù)責(zé)與CC2430芯片的MCU保持通信同步，DATA 數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)傳輸采集到的數(shù)據(jù)。SHT11溫濕度傳感器芯片與CC2430芯片的連接電路如圖2。

2.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

GPRS提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于建立新的連接幾乎無需任何時(shí)間（即無需為每次數(shù)據(jù)的訪問建立呼叫連接），因而隨時(shí)都可與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，特別適用于間斷的、突發(fā)性的、頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)選用SIM900模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位監(jiān)控模塊之間的通信。SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。SIM900模塊通過串口UATR1與上位監(jiān)控模塊進(jìn)行通信，通信速率設(shè)定為115 200 b/s。數(shù)據(jù)傳輸模塊通過AT指令對(duì)SIM900進(jìn)行控制，完成相應(yīng)的功能。

4.1數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性測(cè)試

選取一號(hào)監(jiān)控點(diǎn)2014年10月20—24日采集到的土壤溫濕度值和光照度值來分析，系統(tǒng)測(cè)量值與經(jīng)精密儀器測(cè)量的實(shí)際值關(guān)系見表1。從表1中測(cè)量值與真實(shí)值的對(duì)比和誤差可看出，土壤溫度測(cè)量值與實(shí)際值誤差范圍為[-0.7，17]，土壤濕度測(cè)量值與實(shí)際值誤差范圍為[-0.3，0.4]，光照度測(cè)量值與實(shí)際值誤差范圍為[-5，4]，說明農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

4.2融合算法測(cè)試

選取一個(gè)土壤監(jiān)測(cè)區(qū)域（相對(duì)濕度基準(zhǔn)真實(shí)值為20%），分別以20、60、100節(jié)點(diǎn)對(duì)分批估計(jì)融合算法與改進(jìn)型算法進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比?？紤]到傳感器可能存在的零點(diǎn)漂移，本研究系統(tǒng)使用互不相關(guān)的零均值白噪聲模擬傳感器的觀測(cè)誤差，信噪比為0.1～1.0 dB（表2）。由表2可見，改進(jìn)型分批估計(jì)自動(dòng)適應(yīng)融合計(jì)算法的融合結(jié)果相對(duì)于算術(shù)平均法和分批估計(jì)融合算法更接近數(shù)據(jù)真值，其絕對(duì)誤差明顯小于算術(shù)平均值，這是因?yàn)樗阈g(shù)平均值中具有無法避免的零點(diǎn)漂移以及仿真?zhèn)鞲衅髡`差造成的。分批估計(jì)融合算法相對(duì)于算術(shù)平均算法數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，但與本研究算法相比融合誤差相對(duì)較大，這是由于在采集數(shù)據(jù)融合之前沒有對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。綜上，本研究改進(jìn)的分批估計(jì)自動(dòng)適應(yīng)融合計(jì)算法在不同節(jié)點(diǎn)、不同信噪比的情況下都有較低的融合誤差。

5結(jié)論

本研究基于物聯(lián)網(wǎng)思想，采用ZigBee技術(shù)[9-10]和GPRS技術(shù)相結(jié)合的方式，構(gòu)建農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用溫濕度傳感器、光照傳感器實(shí)時(shí)采集農(nóng)田環(huán)境參數(shù)，使用GPRS通信技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田數(shù)據(jù)信息的傳輸。為了提高多無線傳感器數(shù)據(jù)融合低的缺點(diǎn)，本研究提出了一種改進(jìn)型的分批估計(jì)自適應(yīng)加權(quán)融合算法，試驗(yàn)驗(yàn)證得出本研究構(gòu)建的農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)改進(jìn)算法數(shù)據(jù)融合易于實(shí)現(xiàn)，融合值相對(duì)誤差值更低，穩(wěn)健性更好，系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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