李昌敏，熊俊俏

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205）

中國(guó)一直是農(nóng)業(yè)大國(guó)，民以食為天。農(nóng)業(yè)發(fā)展一直是國(guó)家的首要問(wèn)題，農(nóng)業(yè)的發(fā)展直接或間接地影響著國(guó)家安全。傳統(tǒng)的種植產(chǎn)業(yè)，一般情況下是依靠農(nóng)民多年以來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，定性地估計(jì)各種環(huán)境因子，無(wú)法在農(nóng)業(yè)種植過(guò)程中實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)和收集環(huán)境信息，很難進(jìn)行統(tǒng)一的集中管理，達(dá)到最優(yōu)化生產(chǎn)的目的[1]。市面上也出現(xiàn)了一些農(nóng)田環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)集成度不高，大多只有單一的功能，無(wú)法做到大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間、預(yù)測(cè)性地監(jiān)控農(nóng)林環(huán)境。

基于現(xiàn)狀本次設(shè)計(jì)了一款低功耗、多功能、可預(yù)測(cè)環(huán)境的農(nóng)林監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采集終端與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等多種環(huán)境信息的實(shí)時(shí)收集、傳輸和上位機(jī)信息處理控制的自動(dòng)化，具有功耗低、自動(dòng)化程度高、性能穩(wěn)定、及時(shí)、高效、準(zhǔn)確、運(yùn)行成本低、數(shù)據(jù)可提前預(yù)測(cè)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)林環(huán)境信息的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)，對(duì)盡快推進(jìn)中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化，走農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路有著重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

土壤及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為兩部分，即上位機(jī)和傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元為傳感器組、ZigBee 傳輸、控制器三部分，其中傳感器組是集成了多種傳感器的信息采集器，它將對(duì)空氣溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度、紅外和光照強(qiáng)度等農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，全面收集果園環(huán)境信息和傳輸信息[2]。傳感器組與組之間用ZigBee 通訊協(xié)議組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。不同類型的傳感器組按照一定的數(shù)量組成的節(jié)點(diǎn)稱為ZigBee 子節(jié)點(diǎn)。所有傳感器數(shù)據(jù)均直接上傳至后臺(tái)上位機(jī)，用戶無(wú)需在設(shè)備端進(jìn)行操作。上位機(jī)信息處理控制模塊將接收到的信息進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，得出下一步指令，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送遠(yuǎn)程控制繼電器的命令，由ZigBee 協(xié)調(diào)器通過(guò)協(xié)議發(fā)送給各子節(jié)點(diǎn)，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。

土壤及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 土壤及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 ZigBee 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

ZigBee 模塊選用了CC2530 芯片，它具有低功耗、低成本、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。其控制監(jiān)測(cè)多款傳感器。ZigBee 采用低功耗自組網(wǎng)模式將所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。

在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)出傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)，要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更消耗能量。為了提高網(wǎng)絡(luò)通信效率需要盡可能減少冗余傳輸，降低網(wǎng)絡(luò)通信開銷，選擇某些節(jié)點(diǎn)作為骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，打開其通信模塊，并關(guān)閉非骨干節(jié)點(diǎn)的通信模塊，由骨干節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)連通網(wǎng)絡(luò)來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣可以保證通信覆蓋度和使非骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，進(jìn)入休眠狀態(tài)從而降低能耗[3]。

ZigBee 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ZigBee 組網(wǎng)原理圖

本系統(tǒng)采用一種最小連通支配集ECDS 算法構(gòu)建骨干節(jié)點(diǎn)網(wǎng)[4]。

為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)權(quán)值，節(jié)點(diǎn)i的權(quán)值表示為w（i），這個(gè)權(quán)值代表網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能力，這個(gè)值大小由節(jié)點(diǎn)的剩余能量決定，節(jié)點(diǎn)權(quán)值的計(jì)算方法為w（i）=f（energy（i），stability（i），effective_degree（i））。其中，f函數(shù)是以電池剩余能量energy（i），節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性stability（i）和節(jié)點(diǎn)的有效度數(shù)effective_degree（i）為參考函數(shù)。

通過(guò)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，具有較大權(quán)值的節(jié)點(diǎn)意味著節(jié)點(diǎn)具有較高的能力。有較高能量、可能覆蓋較多鄰居節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，更適合擔(dān)當(dāng)支配集節(jié)點(diǎn)即骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的角色。通過(guò)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置這樣的優(yōu)先級(jí)之后，算法構(gòu)建的支配集不僅考慮了支配集規(guī)模的大小，同時(shí)把能量也考慮進(jìn)去了，這樣的系統(tǒng)作為傳感器節(jié)點(diǎn)更為合理。

為了平衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的使用。本算法還采用動(dòng)態(tài)周期性的重構(gòu)方式，在一個(gè)周期中構(gòu)建的連通支配集擔(dān)當(dāng)?shù)墓歉删W(wǎng)不會(huì)一直工作到其某個(gè)節(jié)點(diǎn)耗盡，而是每次構(gòu)建的連通支配集只工作一段時(shí)間，當(dāng)此連通支配集中有節(jié)點(diǎn)能量降低到一定程度，進(jìn)入下一周期。

3 數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)

本系統(tǒng)將傳感器參數(shù)采集到的數(shù)據(jù)利用指數(shù)平滑法對(duì)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)行為分析，以找出數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)[5]。通過(guò)計(jì)算指數(shù)平滑平均數(shù)來(lái)平滑時(shí)間序列，消除歷史統(tǒng)計(jì)序列中的隨機(jī)波動(dòng)，以找出其主要發(fā)展趨勢(shì)。

設(shè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為{Xt}，t=1，2，…，n，n為序列{Xt}原始數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，Xt為序列{Xt}的第t期實(shí)際值。則一次指數(shù)平滑模型為：

二次指數(shù)平滑法是對(duì)一次指數(shù)平滑的再次平滑，其模型如下所示：

第t+m期預(yù)測(cè)值Xt+m為：

三次指數(shù)平滑法是對(duì)二次指數(shù)平滑的再平滑。它適用于具有線性趨勢(shì)的時(shí)間序列，其模型為：

第t+m期的預(yù)測(cè)值為其中，

M為預(yù)測(cè)超前數(shù)且M≥1，at，bt，ct均為預(yù)測(cè)參數(shù)。

為了使三次指數(shù)平滑模型適用時(shí)間序列自身的變化，將靜態(tài)變化為動(dòng)態(tài)，由上述公式得到：

可以得到一個(gè)形式相同的指數(shù)平滑模型：

通常情況下，因?yàn)槌跏贾祵?duì)模型的影響較小，通常取前兩期觀測(cè)值，一般取來(lái)作為模型的初始值。預(yù)測(cè)函數(shù)為其中m為預(yù)測(cè)超前期數(shù)，at，bt，ct為預(yù)測(cè)參數(shù)，

根據(jù)模型精度的要求，取α為0.38 建立模型[6]。由上述指數(shù)公式，通過(guò)模型對(duì)溫度和濕度的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度動(dòng)態(tài)三次指數(shù)平滑圖

基于動(dòng)態(tài)三次指數(shù)模型分析可以得到如表1所示的預(yù)測(cè)結(jié)果。

由圖3、表1可見(jiàn)，用動(dòng)態(tài)三次指數(shù)平滑法預(yù)測(cè)模型在 對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)中的擬合效果整體較好，對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)有較好的適用性。同時(shí)，還利用該模型對(duì)土壤pH 值、二氧化碳濃度的趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)農(nóng)林發(fā)展有一定的預(yù)測(cè)預(yù)警作用。

4 結(jié)論

本文介紹了基于低功耗的土壤及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它利用各傳感器監(jiān)測(cè)土壤及環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)了解當(dāng)前環(huán)境及土壤的相關(guān)數(shù)值。并通過(guò)最小支配集進(jìn)行ZigBee 組網(wǎng)，減少了通信功耗，大大減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，并將各傳感器組的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)端，在PC 機(jī)上以直觀的線形圖顯示出來(lái)，且對(duì)得到數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷下一階段環(huán)境數(shù)據(jù)變化。有助于進(jìn)一步展開各數(shù)據(jù)之間統(tǒng)籌研究，更好地為農(nóng)林培育服務(wù)。本系統(tǒng)接下來(lái)將通過(guò)圖像處理的方式來(lái)判斷農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更好的幫助。

表1 溫度動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)