李超然

（韓山師范學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院，廣東 潮州 521041）

當(dāng)前，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持與應(yīng)用下，智慧茶園的設(shè)計與管理工作迎來了全新的發(fā)展局面。與傳統(tǒng)的茶園環(huán)境監(jiān)測不同，基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)信息收集與整理，更加強調(diào)數(shù)據(jù)信息的真實性和準(zhǔn)確性，可以快速感知周圍環(huán)境的質(zhì)量、太陽能資源的充足性、茶作物的品質(zhì)等[1]。

1 基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

為確保茶園數(shù)據(jù)信息被更加便捷、科學(xué)、準(zhǔn)確地收集與整理，基于傳感器技術(shù)設(shè)計開發(fā)了一套行之有效的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，可以對茶園的各類數(shù)據(jù)信息進行有效的監(jiān)督與管理，提高種植與管理的準(zhǔn)確性和可靠性。以傳感器技術(shù)作為基礎(chǔ)，提高管理的智慧化和科技化水平，能夠顯著提高智能助農(nóng)、科技創(chuàng)收的意義，并為廣袤的茶園管理工作提供核心技術(shù)支持[2]。

1.2 系統(tǒng)組成

基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)關(guān)鍵的組成部分有云端、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點，通過關(guān)鍵技術(shù)手段使各組成單元形成聯(lián)系，可動態(tài)性收集與整理茶園管理期產(chǎn)生的各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)，評價茶作物的生長質(zhì)量和管理效益，為保證茶作物健康長大提供支持。并且將收集整理的數(shù)據(jù)信息利用手機終端、計算機終端進行傳輸，利用可視化界面為廣大用戶提供圖表等直觀的展示，從而實現(xiàn)茶園管理效果。

1.3 系統(tǒng)功能

（1）動態(tài)性觀察茶園環(huán)境。利用計算機終端或者是手機終端，動態(tài)性地對大氣降雨量、土壤酸堿值、土壤溫度值、光照強度、大氣氧氣含量、大氣二氧化碳含量以及大氣溫度、濕度等進行檢測。在通信技術(shù)的支持下，茶園的管理者可以憑借遠程控制技術(shù)，在移動終端遠程查看茶園環(huán)境。

（2）環(huán)境歷史數(shù)據(jù)查詢。茶園管理者可以根據(jù)自己的需求，按照系統(tǒng)的導(dǎo)航查詢并閱讀茶園歷史環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并對關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息進行保存。在進行檢索時，可綜合日期、關(guān)鍵詞等多種方法快速抵達相應(yīng)的數(shù)據(jù)位置[3]。

（3）預(yù)警與告警?；趥鞲衅骷夹g(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，在具體應(yīng)用時可以通過設(shè)置完成各類關(guān)鍵參數(shù)值，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控。當(dāng)茶園的環(huán)境變化導(dǎo)致數(shù)據(jù)超過設(shè)置的參數(shù)值界限時，系統(tǒng)將會按照其配置，利用手機信息、系統(tǒng)消息等多種途徑將出現(xiàn)的問題及時反饋給管理者。

（4）視頻監(jiān)控。將高清攝像機安裝設(shè)置在茶葉種植區(qū)域范圍內(nèi)，利用視頻監(jiān)控的方式動態(tài)性地對茶葉的病害情況、生長態(tài)勢等進行實時監(jiān)督與控制。當(dāng)茶園沒有專門的管理人員進行監(jiān)督與管理時，農(nóng)戶可以在家視頻進行遠程監(jiān)督，提高管理的便利性和效率。

1.4 系統(tǒng)特點

（1）基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)在進行監(jiān)督管理時，可以實現(xiàn)全天候無人管理，在很大程度上降低了成本支出。

（2）基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)在進行監(jiān)督管理時，并可實現(xiàn)遠程監(jiān)督與管理，確保管理更加集中，也能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；芾怼?/p>

（3）基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)在進行監(jiān)督管理時，可以保存收集與整理的數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)的產(chǎn)品溯源提供數(shù)據(jù)支撐，使數(shù)據(jù)信息更加透明化。

2 系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

以茶園的信息采集與整理的特征作為依據(jù)，設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，綜合電源模塊、傳感器模塊、串口通信模塊、無線通信模塊、處理器模塊，強化土壤水分含量、大氣溫濕度、茶園其他環(huán)境影響因素的采集力度，利用自組網(wǎng)的方式將收集整理的數(shù)據(jù)信息快速反饋到監(jiān)督與控制中心，提高信息數(shù)據(jù)的傳輸效率[4]。

以茶園信息采集的需求作為依據(jù)，在檢測大氣溫濕度時，選擇使用瑞士公司生產(chǎn)的SHT11數(shù)字傳感器；在檢測土壤中的水分含量多少時，選擇使用錦州陽光科技有限公司生產(chǎn)的TDR-3傳感器。各類傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 各類傳感器技術(shù)參數(shù)表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)

3.1 組成及任務(wù)調(diào)度

基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，其搭載的操作系統(tǒng)為TinyOS系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包括硬件抽象單元、通信單元、執(zhí)行單元、感知單元、應(yīng)用單元和操作系統(tǒng)單元，如圖1所示。

圖1 基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)框架

在硬件抽象單元中，其操作所實現(xiàn)的主要功能有驅(qū)動硬件執(zhí)行以及處理硬件運行中斷。在采集茶園關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息時，通過連接通信單元、執(zhí)行單元、感知單元、模塊等，提高數(shù)據(jù)信息的收集效率和準(zhǔn)確性，并將各類動作執(zhí)行落實到實處，強化數(shù)據(jù)信息的傳輸與通信能力。應(yīng)用單元在服務(wù)期間，可以以茶園的實際情況作為依據(jù)，與系統(tǒng)感知單元、通信單元和執(zhí)行單元一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集管理系統(tǒng)的運行目標(biāo)[5]。

基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以FIFO為基礎(chǔ)的任務(wù)隊列調(diào)度，初始化處理系統(tǒng)內(nèi)的各類組件和硬件，通過控制其開始、啟動、停止，完成相應(yīng)的能量管理，實現(xiàn)管理監(jiān)督任務(wù)的有效落實。當(dāng)基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)在運行時，將會分出事件執(zhí)行線程和任務(wù)執(zhí)行線程兩條線路，調(diào)度器在運行的時，硬件中斷觸發(fā)事件調(diào)度，事件相互間出現(xiàn)搶占的現(xiàn)象，而任務(wù)間并沒有出現(xiàn)搶占現(xiàn)象；當(dāng)智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)時，需要發(fā)生事件才可以將系統(tǒng)喚醒[6]。

3.2 通信協(xié)議設(shè)計分析

基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，是以T-MAC協(xié)議作為基礎(chǔ)而搭建的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，這種類型的協(xié)議在具體應(yīng)用時，選擇可以展開調(diào)節(jié)的休眠狀態(tài)時隙和活動狀態(tài)時隙，要求所有的數(shù)據(jù)信息在傳輸時，必須在后動狀態(tài)時隙內(nèi)完成。對持續(xù)時間進行動態(tài)性活動調(diào)節(jié)，可以有效保障網(wǎng)絡(luò)負載始終保持良好的平衡狀態(tài)，可控制將因為空閑監(jiān)聽所導(dǎo)致的節(jié)點能量消耗。通過更多的時隙分配，協(xié)議可以使處于休眠狀態(tài)下的節(jié)點降低能量消耗，延長節(jié)點生命周期[7]。

T-MAC協(xié)議在數(shù)據(jù)發(fā)送時，主要采用RTS/CTS/DATA/ACK通信來實現(xiàn)，偵查并傾聽節(jié)點周期性喚醒。例如，在固定的時間TA之內(nèi)，若是系統(tǒng)運行沒有出現(xiàn)激活事件，系統(tǒng)將會進入休眠狀態(tài)。在所有的活動狀態(tài)期間，協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)時將會以突發(fā)的形式完成。TA決定著所有周期最小的空閑偵聽時間，最小空閑偵聽時間的結(jié)果決定著T-MAC協(xié)議性能，在取值時，其約束為

式中，C為競爭時間長度；R為RTS分組發(fā)送的時間；T為RTS分組結(jié)束持續(xù)到CTS分組發(fā)出開始的時間。

因為智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的T-MAC協(xié)議在運行期間存在早睡問題，在解決該問題時可以選擇使用滿緩沖區(qū)優(yōu)先的體制機制進行處理。以改進的洪泛通信協(xié)議作為依據(jù)設(shè)計節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議，該協(xié)議可以完成全網(wǎng)周期性睡眠調(diào)度處理工作，保證在更長的時間范圍內(nèi)節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)點協(xié)調(diào)處理工作[8]。

（1）洪泛協(xié)議做出改進。洪泛協(xié)議是協(xié)議的基礎(chǔ)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于通信狀態(tài)時，節(jié)點會把該數(shù)據(jù)包面向全網(wǎng)進行廣播，一直持續(xù)到全網(wǎng)的所有節(jié)點全部接收到數(shù)據(jù)包。

（2）同步時間。為了實現(xiàn)T-MAC算法的功能，要求協(xié)議在全網(wǎng)同步的過程中進行休眠—活動—休眠，與此同時，要保證全網(wǎng)時間均保持同步狀態(tài)。在協(xié)議中完成通過節(jié)點中Time0虛擬計算器編寫任務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)中加入節(jié)點后，以匯聚節(jié)點的指令作為依據(jù)，啟動上述編寫完成的計時器，以時序作為依據(jù)實現(xiàn)休眠—活動—休眠工作循環(huán)。但因為不同的節(jié)點相互之間存在著不穩(wěn)定傳輸、延時傳輸、晶振頻率差等問題，從而導(dǎo)致節(jié)點間存在著時間非同步的現(xiàn)象。要想保持全網(wǎng)時鐘具有同步性，協(xié)議可使用TPSN時間同步算法。

（3）網(wǎng)絡(luò)拓撲，在網(wǎng)絡(luò)中加入新過節(jié)點，要借助網(wǎng)絡(luò)層完成處理任務(wù)。智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)采用以下方法：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)加入單節(jié)點時，大約每間隔3 s的時間將會傳輸一條請求加入網(wǎng)絡(luò)的信息，之后進入偵聽狀態(tài)，時間大約為1 s，如此循環(huán)往復(fù)，一直持續(xù)到加入網(wǎng)絡(luò)。此后，以匯聚節(jié)點作為依據(jù)的指令將上述計時器啟動，保證時間同步，完成網(wǎng)絡(luò)加入過程。

4 實驗測試

4.1 節(jié)點能耗

在進行設(shè)計節(jié)點時，總共選擇使用7個節(jié)點完成系統(tǒng)處理。其中，有2個節(jié)點作為搭載SHT11傳感器的節(jié)點，完成大氣濕度信息和溫度信息采集任務(wù)；有4個節(jié)點搭載TDR-3傳感器，完成對土壤中水分含量信息的采集任務(wù)；有1個節(jié)點作為匯聚節(jié)點，將其連接到終端。為保證信息的準(zhǔn)確性和實時性，數(shù)據(jù)信息采集的時間控制在每30分鐘一次。設(shè)置nRF905最大的發(fā)送功率，經(jīng)過30天的實驗分析，對茶園的大氣溫濕度信息和土壤水分信息等展開測量，并對測量的信息進行記錄。

4.2 通信丟包率

統(tǒng)計并整理30天時間內(nèi)的數(shù)據(jù)包，結(jié)果如表2所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)丟包率

5 結(jié)束語

在本文的分析與研究中，設(shè)計了智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，從硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、通信協(xié)議三個角度展開較為系統(tǒng)的分析。實驗結(jié)果顯示，基于傳感器技術(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)在采集茶園數(shù)據(jù)信息的時候，每間隔半個小時進行一次，在連續(xù)工作30天的情況下，平均每天節(jié)點的壓降大約為1.5 mV，通信的有效距離最遠可以達到150 m，網(wǎng)絡(luò)丟包率為3.72%?；趥鞲衅骷夹g(shù)的智慧茶園數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)設(shè)計，比較適合茶園信息采集，并且具有很小的能量消耗和較低的丟包率，適合在茶園等場景中長時間使用。■