滕道明

(江蘇省銅山中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221116)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信功能的大量廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式形成，這種網(wǎng)絡(luò)可在沒有基站的條件下通過自組織形成多跳通信網(wǎng)絡(luò)，因此被廣泛地應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。無線傳感網(wǎng)絡(luò)可在較為惡劣的條件下，獲得大量較為精確的可靠數(shù)據(jù)，播種機(jī)在作業(yè)(特別是山區(qū)作業(yè))時(shí)條件一般比較惡劣，如果將無線傳感自組織網(wǎng)絡(luò)引入到播種機(jī)質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)中，將會(huì)有效提高播種機(jī)的播種質(zhì)量監(jiān)測效率。在多播種機(jī)協(xié)同作業(yè)時(shí)，除了使用多跳無線通信網(wǎng)絡(luò)之外，還可以采用多信道通信的方法，以保證數(shù)據(jù)的高效傳輸。因此，探討高效的中繼節(jié)點(diǎn)具有重要的意義。

1 智能播種機(jī)監(jiān)控測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精密播種機(jī)在播種作業(yè)時(shí)可以采用智能檢測和通信模塊，實(shí)現(xiàn)播種精度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程控制，這就需要無線網(wǎng)絡(luò)的支持；而由于作業(yè)條件的局限性，很難直接使用移動(dòng)基站建立的無線網(wǎng)絡(luò)。因此，本研究主要采用自組織多跳和多信道通信的方式對播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其主要模塊包括供電模塊、PC微處理器、株距監(jiān)測系統(tǒng)、漏播監(jiān)測系統(tǒng)、播種速度控制模塊和反饋調(diào)節(jié)模塊，如圖1所示。

圖1 基于多跳和多信道通信的智能播種機(jī)監(jiān)控測系統(tǒng)框架

系統(tǒng)實(shí)際使用時(shí)，可以通過觸摸屏等輸入模塊輸入監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)要求和系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)系數(shù)，通過作業(yè)工況的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)播種質(zhì)量的監(jiān)測和自適應(yīng)調(diào)節(jié)，其流程如圖2所示。

為了保證系統(tǒng)硬件的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和可靠實(shí)現(xiàn)各自的功能，需要采用硬件設(shè)備和軟件設(shè)備結(jié)合使用的方法，使用編程軟件對每個(gè)模塊進(jìn)行編程調(diào)試，保證無線傳感監(jiān)測模塊、多跳多信道通信模塊和反饋調(diào)節(jié)模塊的順利運(yùn)行。

圖2 播種質(zhì)量的監(jiān)測和自適應(yīng)調(diào)節(jié)流程

2 無線傳感自組織網(wǎng)絡(luò)多信道通信和高效中繼節(jié)點(diǎn)算法

由于播種機(jī)作業(yè)條件區(qū)域不一定存在移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)，所以在實(shí)現(xiàn)播種質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測時(shí)需要考慮自組織無線局域網(wǎng)，在多農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)還需要采用多信道通信技術(shù)。多信道通信的原理是采用多組發(fā)射天線和多組接收天線，假設(shè)多組發(fā)射天線為S1、S2、...、Sn，接收天線為Y1、Y2、...、Yn，發(fā)射天線S1與接收Y1間距離設(shè)為h11，發(fā)射天線Sn與接收Yn間距離設(shè)為hnm，以4臺(tái)播種機(jī)同時(shí)作業(yè)時(shí)的通信為例，其4×4多信道信號(hào)傳輸?shù)木嚯x為

(1)

假設(shè)播種機(jī)監(jiān)測發(fā)送信號(hào)為X，存在噪聲干擾A，則系統(tǒng)的接受信號(hào)為

Y=HX+A

(2)

播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)流分為M個(gè)，且M的數(shù)值需要小于或者等于最小天線數(shù)。播種機(jī)質(zhì)量多信道監(jiān)測系統(tǒng)的容量可以表示為

C=Mlog2(1+S/N)

(3)

其中，S為發(fā)射天線數(shù)目；N為子載波數(shù)目。一個(gè)完整的播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)多信道通信的模型可以表示為

fk=fc+k·Δf

(4)

其中，TN為信道的寬度；X(k)為載波數(shù)據(jù)；fc為載波頻率；fk為第個(gè)載波頻率；Δf為子載波的頻率間隔。在實(shí)際進(jìn)行通信時(shí)，需要將相對于的子載波通信數(shù)據(jù)的正弦和余弦相乘，則信道的接受數(shù)據(jù)為

exp(i2πfkt)·exp(-i2πfnt)dt

(5)

其中，fn=fc+n·Δf。假設(shè)子載波互相正交，則

(6)

在實(shí)際進(jìn)行采樣時(shí)，零點(diǎn)在Δf的整數(shù)倍/置上，對播種監(jiān)測信號(hào)x(t)以Ts/N的速率進(jìn)行采樣，可以得到

(n=0,1,...,N-1)

(7)

其中，x(n)為傅里葉變換。通過對x(n)進(jìn)行逆變換，可以將通信信號(hào)恢復(fù)出來，恢復(fù)后的信號(hào)為

(k=0,1,...,N-1)

(8)

播種機(jī)多信道通信系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以通過離散傅里葉變換和傅里葉逆變換來實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)多信道的高效通信，需要借助于高效中繼節(jié)點(diǎn)通信方法。在無線傳感網(wǎng)中繼節(jié)點(diǎn)布局中，洪泛是一種傳統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)的布置算法，在多跳移動(dòng)網(wǎng)和多信道網(wǎng)絡(luò)中是最常用的，如圖3所示。這種布置算法就像洪水泛濫一樣被傳播到整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)達(dá)到了最大的跳數(shù)，或者通信容量達(dá)到最大后便開始對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。

圖3 多跳多信道無線通信網(wǎng)絡(luò)洪泛算法

在洪泛算法中，由于多跳多信道無線通信過程中，其存在很多簇，并且每個(gè)簇都有簇頭節(jié)點(diǎn)，在通信時(shí)會(huì)存在重疊通信和通信不易被控制等現(xiàn)象。據(jù)此采用分層算法對洪泛進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的模型如圖4所示。

圖4中，2號(hào)節(jié)點(diǎn)將命令分別發(fā)布到0號(hào)節(jié)點(diǎn)和6號(hào)節(jié)點(diǎn)，0號(hào)節(jié)點(diǎn)和6號(hào)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，依次將信息傳遞給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終達(dá)到2號(hào)節(jié)點(diǎn)；2號(hào)節(jié)點(diǎn)待所有數(shù)據(jù)都匯集完畢后，將信息發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。分層算法解決了洪泛算法中經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象，算法采用多跳多信道網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用鏈型幾何模型，降低了模型的復(fù)雜程度，從而大大降低了能耗。

圖4 分層中繼節(jié)點(diǎn)布置算法原理圖

3 播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證多跳多信道系統(tǒng)在播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)中使用的可行性，驗(yàn)證高效中繼節(jié)點(diǎn)在多信道多跳通信過程中發(fā)揮的效用，設(shè)計(jì)了播種機(jī)質(zhì)量監(jiān)測的測試系統(tǒng)，其原理如圖5所示。

1.無線通信設(shè)備 2.無線傳感器 3.播種速度控制器 4.排種盤 5.播種監(jiān)測裝置

圖5中，測試系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，由無線傳感器將測試數(shù)據(jù)傳送給無線傳輸設(shè)備，其網(wǎng)絡(luò)通信采用本次提出的多跳多信道控制算法，而中繼節(jié)點(diǎn)采用分層高效節(jié)點(diǎn)布局算法。在監(jiān)測過程中，如果存在播種距離不合格時(shí)，反饋系統(tǒng)會(huì)通過無線通信自動(dòng)調(diào)整播種速度控制器，改變播種盤的速度，從而實(shí)現(xiàn)播種距離的自動(dòng)校正。

圖6為播種機(jī)播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際測試過程作業(yè)場景，播種機(jī)選用免耕播種機(jī)。為了驗(yàn)證多信道通信的可靠性，在實(shí)際作業(yè)時(shí)，采用多臺(tái)協(xié)同控制的方式，通過測試得到了播種機(jī)的播種效果圖。

圖6 實(shí)際播種作業(yè)測試過程

圖7為采用傳統(tǒng)的播種機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測試，得到的播種效果圖。由于免耕播種機(jī)的播種溝穴開挖寬度較小，因此在播種時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)播種距離不到位的情況，造成播種偏離溝穴現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖7 傳統(tǒng)播種機(jī)播種效果

圖8為采用多跳多信道高效中繼通信對播種控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，采用反饋調(diào)節(jié)的方式得到的測試結(jié)果。測試結(jié)果表明：種子可以正好播在溝穴中央，播種效果比傳統(tǒng)播種機(jī)的播種效果有了明顯的提升。在播種株距為30cm時(shí)，對其播種株距指數(shù)和漏播指數(shù)進(jìn)一步測試，得到了如表1所示的結(jié)果。

圖8 多跳多信道高效中繼通信播種機(jī)播種效果

表1 株距合格指數(shù)和漏播數(shù)據(jù)測試結(jié)果

Table 1 The test result for conformity index and missing data of row spacing

測試序號(hào)株距合格指數(shù)/%漏播指數(shù)/%195.22.2296.81.3393.33.2492.53.5594.62.6693.22.8796.31.9

國家在標(biāo)準(zhǔn)《JB-T10293-2001單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》中關(guān)于精密播種機(jī)的性能指標(biāo)做出了指導(dǎo)性的規(guī)定，包括株距的合格指數(shù)和漏播指數(shù)等。當(dāng)株距大于20cm時(shí)，精密播種的株距合格指數(shù)需要達(dá)到80%以上，漏播的合格率要小于8%。由表1數(shù)據(jù)可以看出：本次設(shè)計(jì)的多跳多信道控制系統(tǒng)的精密播種機(jī)，其株距合格指數(shù)和漏播指數(shù)均在要求范圍內(nèi)，符合精密播種機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

播種質(zhì)量監(jiān)測和控制系統(tǒng)是影響播種機(jī)作業(yè)精度和效率及自動(dòng)化程度的重要因素，因此在精密播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)中引入了多跳多信道網(wǎng)絡(luò)，解決了播種機(jī)在信號(hào)條件差的山區(qū)作業(yè)的通信和數(shù)據(jù)傳輸問題。為了保證監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝裕岢隽艘环N基于分層算法的高效中繼節(jié)點(diǎn)布置方法。該方法和洪泛算法相比，控制更容易實(shí)現(xiàn)，避免了重復(fù)通信，提高了通信效率。設(shè)計(jì)了基于多跳、多信道和高效中繼節(jié)點(diǎn)的播種機(jī)監(jiān)測測試系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，將測試結(jié)果和傳統(tǒng)的播種機(jī)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：這種系統(tǒng)可以有效提高免耕播種機(jī)的播種精度，且其株距和漏播系數(shù)滿足國家精密播種機(jī)的設(shè)計(jì)要求，為高精度播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一種新的參考方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧鑫,張樂君.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存性增強(qiáng)技術(shù)研究概述[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(1):1-10.

[2] 徐雄偉,王平,徐世武.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法的研究與探討[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012,12(3): 8-11.

[3] 司海飛,楊忠,王珺.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].機(jī)電工程,2011,28(1):16-20.

[4] 薛明,高德民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大生命期聚合樹路由算法[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(1):130-133.

[5] 崔素輝,陳光亭,李茹雪.三維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中繼器放置問題[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(2): 81-84.

[6] 張艷維.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置受限的中繼器放置問題[D].杭州：杭州電子科技大學(xué),2013:35-40.

[7] 張二鵬,馬锃宏,耿長興,等.溫室懸掛噴施機(jī)跨壟作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,18(6):170-174.

[8] 馬锃宏,李南,李濤,等.缽體苗帶式供苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,20(3):216-222.

[9] 張春龍,黃小龍,劉衛(wèi)東,等.苗間鋤草機(jī)器人信息獲取方法的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(9):142-146.

[10] 胡煉,羅錫文,曾山,等.基于機(jī)器視覺的株間機(jī)械除草裝置的作物識(shí)別與定位方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(10):12-18.

[11] 朱鳳武,于豐華,鄒麗娜,等.農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].2013,3(6):10-13.

[12] 吳巖,杜立宇,高明和,等.農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀及其防治措施[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展,2011(1):64-67.

[13] 楊慧,劉立晶,劉忠軍,等.我國農(nóng)田化肥施用現(xiàn)狀分析及建議[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(9):260-264.

[14] 張霞,蔡宗壽,李歡.我國化肥生產(chǎn)能源消費(fèi)現(xiàn)狀分析[J].現(xiàn)代化工,2014,34(10):12-15.

[15] 付麗霞,李云樂.農(nóng)業(yè)面源污染的現(xiàn)狀、問題及對策探析[J].食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報(bào),2014,5(7):2285- 2289.

[16] 欒江,仇煥廣,井月,等.我國化肥施用量持續(xù)增長的原因分解及趨勢預(yù)測[J].自然資源學(xué)報(bào),2013,28(11): 1869-1878.

[17] 沈德軍.農(nóng)作物葉面施肥的意義、機(jī)理及技術(shù)要點(diǎn)[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,18(12):111-112.

[18] 魚彩彥.葉面施肥技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2013,33(12):30.

[19] 劉金龍,鄭澤鋒,丁為民,等.對靶噴霧紅外探測器的設(shè)計(jì)與探測距離測試[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41 (7):368-370.

[20] 高國琴,李明. 基于K-means算法的溫室移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航路徑識(shí)別[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(7):25-33.

[21] 余根堅(jiān).新穎的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)算法[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2014,23(2):146-149.

[22] 鄧昀,程小輝.智能灌溉系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2012,34(2):80-83.

[23] 王建新,趙湘寧,劉輝宇.一種基于兩跳鄰居信息的貪婪地理路由算法[J].電子學(xué)報(bào),2008,36(10):1903- 1909.

[24] 胡向東.物聯(lián)網(wǎng)研究與發(fā)展綜述[J].數(shù)字通信,2010,37(2):17-21.

[25] 李鵬,張瑞霞,王賽超.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].信息通信,2013(8):59-60.

[26] 李中豪.基于ZigBee的油井無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)程,2011,19(6):110-112.