温室WSN测控系统概述
2016-03-25李克伟刘占云
李克伟 刘占云
摘要:与传统的有线网络技术相比,作为新兴的网络技术一一无线传感器网络技术,拥有许多传统网络技术没有的特点,例如携带方便,可以自由组网扩展,成本低等,因此,在温室测控系统中,新兴的无线传感器网络技术已经逐渐取代了采用现场总线的传统技术,成为设施农业发展的前沿技术。文章介绍了温室WSN (Wireless Sensor Network)测控系统模型,并针对时延与数据丢包率对测控系统造成的影响进行了分析。
关键词:无线传感器网络(WSN):温室测控系统;时延:丢包率
建立在充分利用自然资源基础上的温室测控系统通过改变影响农作物生长的光照、温度等条件,优化农作物生长环境,促进农产品的产量和质量有所提高,增加温室的经济效益。目前,随着无线网络技术的迅速发展,无线网络技术在温室测控系统中的应用已经越来越重要。
1 典型的温室测控系统模型
该系统模型的主要组成部分包括:监控中心、传感器以及控制设备等,其他还有一些传输检测仪器,这些设备仪器主要是检测控制温室内温度、湿度、光照、CO2以及营养液:
(1)温度控制:通过覆盖薄膜太阳光的照射,温度增加比较明显。利用暖风机供暖就是利用功率比较大的暖风机将暖风导入到温室中来增温。还可以采取其他的方法给温室增温,例如管道加热、增加内保温网等方法。如果需要给温室降温,则可以通过一些降温设备来完成,例如在屋顶安装喷淋系统、高压喷雾系统,或者在温室内安装湿帘风机,还可以通过改变温室外遮盖物的措施来实现。
(2)湿度控制:可以利用湿帘风机系统和高压喷雾系统增加温室的湿度。如果温室的湿度太大,需要除湿,则可以通过自然通风或者用大型的吹风机增快空气流动实现快速除湿的目的。
(3)光照控制:如果需要减少温室的光照,可以在自然光照的温室中利用反光膜、遮阳网等。当需要增加光照时,安装高压钠灯或者荧光灯,在一定的时段进行照明。
(4) C02控制:利用C02施肥系统以及通风系统对温室内的CO2浓度进行实时控制。
(5)营养液控制:这里主要是将营养液放入滴灌设备中,利用滴灌设施管道上的排出口进行灌溉。
从日本和欧洲很多国家的经验来看,温控系统中运用较多的是现场总线控制技术,该技术使用时间较长,有着成熟的技术经验。图1描述的就是基于CAN总线的温室测控系统。单独的空间内,就像一个个小型温室,可以使用CAN控制器,在通过线路相关的采集站点和调控站点进行数据的传输。一个个子系统通过分开的传输线路、控制器,给总控制中心发送数据,并接收总控制中心的及时命令。总控制中心控制计算机可与有网络接连的远程管理计算机相连,从而实现远程系统维护,但这样增加了温室的整体成本,并不适合我国的国情。
2 温室WSN测控系统模型
本文以农业温室为背景,综合运用自动控制技术、无线传感器技术、计算机网络技术以及设施农业技术,充分发挥无线传感器网络节点和控制节点成本低、配置灵活、使用方便等优势,研究基于无线传感器网络的测控系统。
2.1 简易温室WSN测控系统
在温室的测控区域中有许多无线网络节点,每个节点都安装有采集各种数据的传感器,用来采集温室中影响作物生长的自然条件的数据信息。通过设计合理的汇聚节点,将温室内的数据及时通线网络交换,并且保持上位机的及时通信,上位机的数据采集、数据更新变得更加灵活,提高信息数据的传输、发送效率。在温室内,设计相应的无线控制节点与控制器,及时收集数据,并且下达给无线控制节点后,把相应的控制器打开,就可以对温室进行实时测控,这样便组成一个简易的温室WSN测控系统(见图2)。
2.2 大型温室WSN测控系统整体设计
目前,温室技术相对有了比较大的发展,温室建设也因市场化的要求规模越来越大,但由于无线网络节点设备传输距离有所限制,还不能够完全达到先进的、高标准的温室建要求。在这种情况下,对其进行块状区域分割也是一种切实可行的办法。在本文的设计中,把一个较大的温室分割成几个小块独立控制的区域,如图3所示。需要注意的是,不能遗漏任何一个测绘区。注意测绘区中汇聚节点数据的采集,并且和传感器、控制节点等构成了许多个相互独立的子网,传感器节点和控制节点通过标识符确定所隶属的汇聚节点。所有的汇聚节点与传感器节点及控制节点相互连接构成了一个网,对温室内的温度、适度、光照、空气成分等各种数据进行动态采集和分析。利用分散在不同区域的汇聚节点和基站实现总体数据的大范围控制。基站负责与各部分的汇聚节点通信,通过管理所有汇聚节点来实现单个温室的网络化控制;监控中心是多个温室网络集群的总控制台,也是整个温室网络测控系统的数据中心,负责整个系统的控制和管理。这样,无线传感器网络测控区域通过各个基站与汇聚节点串联在一起,使测控面积得到延伸,实现了温室大型化、分区化管理。
2.3 温室WSN测控系统工作原理
在温室WSN测控网络中,无线传感节点负责采集、提供基础的数据信息;作为温室测控系统的管理和驱动部分,控制节点用来接收上层发出的命令,然后发出指令从而优化植物生长环境;汇聚节点是现场数据的汇集点与中转站,负责管理前端设备,并且会对数据信息进行如数据融合等简单的处理工作;基站是整个温室的数据中心和控制中心,管理、调度汇聚节点;控制中心是数据传输的终点,是整个网络系统的决策者和命令发出者。
只有各组成部分协调合作才能完成一次完整的温室WSN测控工作。首先,传感器节点要保证采集到的湿度、温度等状态信息能够实时、准确地传送到汇聚节点;其次,汇聚节点要经过多跳后将各项数据传送给基站,再由基站对数据进行处理;最后,将其发送到远程监控中心,并将收到的信息进行比对分析,将数据反映的各项问题作出指令,基站再将控制命令经过一层层的传输发送到各个控制节点上,实现温室WSN的自动控制。整个温室测控过程如图4所示。
3 时延与丢包特性
比较成熟、完整的温室WSN测控系统不仅要有采集数据精准、成本低等特点,还应该有一定的容错能力。基于无线传感器网络技术的温室WSN测控系统,出现时延现象与丢失数据包现象是避免不了的,所以,对测控系统的时延和丢包率的容忍程度的研究与分析就变得更加重要。
3.1 时延产生原因及种类
由于控制对象本身存在时滞,控制算法比较复杂,加上外界环境的干扰等,时延问题比较普遍地存在于温室WSN测控系统中。
如图5所示,将监控系统的信息采样周期为T,经A/D转换后传输给汇聚节点,数据采集与A/D转化所用的时间用τ1表示;汇聚节点收到数据、转发给基站所用时间设为τ2;基站将数据融合后发送给远程的控制中心,这段时间设为τ3;远程监控中心收到数据后,会对数据进行分析处理再回传给基站,这一系列过程所用的时间设为τ4;τ5是基站把命令发给对应的汇聚节点所用的时间;汇聚节点将命令发送给控制节点的网络时延设为τ6;控制节点最终将命令发送给控制设备上,这些设备运转所花时延设为τ7。这样,一个完整的WSN测控过程(设为第k次采样)总时延:
τ(k)=τ1(k)+τ2(k)+τ3(k)+τ4(k)+τ5(k)+τ6(k)+τ7(k) (2)
如今信息网络技术飞速发展,测控系统中的数据信息处理传递时间已经非常快,因此,τ3,τ4,τ5,τ7几乎是可以忽略不计的。这样,式(2)可简化为:
τ(k)=τ1(k)+τ2(k)+τ6(k)
(3)
由于测控系统中的各个设备都基本是固定的,τ1,τ2,τ6又都是数据包在经过无线传感器网络传输时产生的时延,因此,公式(3)中,τ1(k),τ2(k),τ6(k),可以合并为τ(k)。
3.2 数据包丢失现象
在测控系统中的信息采集、设备传输等工作基本都是通过网络完成的,这些设备在信息采集、传输数据时,不仅会出现网络时延的情况,还会出现数据接收故障和数据包丢失的现象。
在各种无线传感器网络测控系统中,能够造成数据包丢失问题出现的大概有2种情况:(l)测控系统本身主动放弃接收数据包以达到某种保护目的。比如检测系统在一个时间段内没有接收到数据,就会忽略掉这个时段,直接接收下一个时间段的数据,这就确保了测控系统能够实时、有效地处理数据,提高测控系统的性能;(2)测控系统的某些设备本身就有缺陷,例如传感器节点向汇聚节点传输数据时,会出现节点竞争失败、数据碰撞、数据堵塞等情况,造成数据包传输故障或者丢失。数据包丢失的情况会降低整个测控系统的稳定性。
一个健全的无线传感器网络测控系统具有一定的容错和自我恢复能力,但无线传感器网络本身的高丢包率的特点将对整个基于WSN的测控系统稳定性造成一定的影响,也是目前无线传感器网络亟待解决的重点之一。
目前,无线传感器网络在测控系统中的应用还处于探索阶段,很多技术都不成熟,国内外的众多学者在这个领域的研究也只是为了保证并提高无线传感器网络的使用寿命和通信的准确率。由于无线网络相对于传统的有线网络系统时延更长,数据包丢失率也更高,测控系统稳定性比较低,如果系统时延或数据包丢失率超过某一特定值,整个测控系统甚至都会瘫痪。今后,针对这方面的研究会越来越多,也会使温室WSN测控系统更加成熟、稳定。
4 结语
本文对新兴的无线传感器网络技术进行了详细的分析,并对其设计以及在温室中的应用作了清楚的说明。总体上通过使用该系统,能够让温室控制系统实现平稳工作,在不增加投资的情况下,节约设备系统的维护管理成本。同时,提出了一种基于无线传感器网络的3层温室测控系统模型,给大规模建设温室提供了理论基础。本文还针对影响温室WSN测控系统稳定性的2个重要因子——时延和丢包率进行了分析,为进一步的研究奠定了基础。