基于无线传感网络的农田远程监测系统设计

赵立新

(三门峡职业技术学院 信息传媒学院，河南 三门峡 472000)

近年来，由于气候变化，水资源短缺和土地资源减少，人类可持续发展正日益受到威胁[1-3].传统的浇水或施肥方法来源于经验，缺乏科学依据，造成水或土壤的浪费恶化，因此土地和水资源的可持续地利用变得至关重要.近年来，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)，集成传感器技术，无线通信技术，嵌入式计算技术和分布式信息管理技术，一直在快速发展[4,5].随着无线技术的发展，各种小型化设备和传感器已经在PC外围设备、家庭自动化、家庭安全、个人医疗保健、游戏、工业控制和监控、资产和库存跟踪以及智能农业等领域广泛应用[6-8].

农业温室可以被认为是一种人工解决方案，通过人为模拟一个生态系统，来种植各种农作物[9,10].然而，温室所能覆盖的农田毕竟是有限的，我们需要一个强大的监控网络可以放置在实际农田中，通过监控系统抵御环境干扰.本文提出了基于无线传感网络的农田远程监测系统设计.精准农业监控系统在农田部署传感器节点，可以收集实时农田信息并通过电脑或手机传送给给农民，这样农民就可以了解农作物的实时情况，并决定是否浇水或施肥.

1 远程监测系统的要求

整个监控系统分为两部分：无线传感器网络和监控中心.精准农业监测系统的动机是监测特色农业的需要产品，例如苹果，猕猴桃，甜瓜，番茄等，它监测周围的环境环境因子与土壤肥力和土壤肥力的关系分析数据，为作物提供良好的环境与人为干预.通过对作物生长的研究，我们知道不同作物对环境因素有不同的要求，即空气温度和湿度，土壤温度和水分，二氧化碳浓度，光照强度等，在不同的生长期.我们以苹果树为例.合适的苹果树的温度范围为13～25 ℃，和土壤含水量大于11%.有了这些标准参数，农民可以自动改变水分并为需要的农田浇水以避免浪费水资源.当然，通过检测环境因素，我们还可以防止苹果树的害虫.例如，苹果蛀虫大多出现在17 ℃的空气温度，19 ℃的温度和更高的水分超过10%，以便在检测到上述条件时我们会有作物除尘以抑制苹果蛀虫增长并保证树的健康.基于WSN的远程监测系统方面的要求功能主要可归纳为2点：

环境监测器：我们在监控中部署了各种传感器区.管理员和用户可以远程访问实时信息.在检测到异常情况时，系统可以通过发送警报消息给用户一些有效的方法，例如发简讯.

遥控器：收到实时条件后，管理员可以远程将设备打开或关闭在温室中改变温度或湿度.此外，还有一个性能要求注意到.精确农业监测系统是一种长期传感，可用于连续应用，精确农业测量和农业研究，所以我们应该使系统的寿命尽可能长.

2 远程监测系统的设计

任何监测系统都有两组主要组件，即用于收集数据的传感器组件，以及对收集的数据进行回应的执行器组件.本文设计的远程监测系统的架构如图1所示.现在我们描述系统建筑，以及精确农业监测的细节系统.精确农业监测系统包括WSN，网关和通信服务器.我们部署了被监测农田中的节点，可以感知到作物的相关环境信息，例如温度，湿度，光照和二氧化碳浓度等.

之后数据收集，节点将使用特定的数据打包数据协议和沿多跳路由发送包根节点.然后，Root节点将数据发送到网关.当接收数据时，网关提取保存在本地闪存中的有效信息，同时，网关通过GPRS将数据发送到通信服务器.通信服务器处理数据然后存储他们进入农业数据库.然后管理员或用户可以远程监控环境条件通过评估数据库监测农田或温室.通讯服务器还具有短信报警功能，当监测到各项数据超出我们设定或监控的阈值时，将及时向用户发送警报消息.此外，管理员也可以远程控制排气扇或灌溉设备达到监测作物生长的目的.

图1 远程监测系统结构

NPUMote是开发的农业传感器节点部署在远程监测系统中并感知环境监测区域.我们使用8位高性能微控制器Atmega128L作为微控制器单元.我们选择这该控制器有两个原因，一个是Atmega128L采用的RISC技术具有很高的计算能力性能.另一个原因是经过验证的开源开发软件并由TinyOS提供支持.同样，我们也选择AT86RF230作为射频芯片和AT45db041B作为内存，都很好由TinyOS提供支持.在传感器选择方面，能够快速响应，抗干扰能力良好，低功耗的传感器使我们的首选.所有的选择是为了实现我们的高性能监控系统.远程监测系统原型基于TinyOS 2.1，使用了全球同步的责任循环机制节点.在节点无线电的每个上电周期中，我们采用CTP协议收集感官数据，而修改信标频率以节省通信成本.来自Root节点的数据传播可以控制节点的操作参数，例如传输功率，采样频率，占空比和占空比周期.传感器节点数据包结构见图2.

图2 传感器节点数据包结构

3 远程监测系统的优点

3.1 高效节能

覆盖程度作为衡量传感器网络节点部署的一个指标，它一般定义为所有节点覆盖的总面积与目标区域总面积的比值.

(1)

其中C代表覆盖程度，Ai表示第i个节点的覆盖面积，N代表节点的数目，A表示整个目标区域的面积.

覆盖均匀性标准差的值越小则覆盖均匀性就越好.

(2)

(3)

式中U代表均匀性，N是节点总数目，Ki表示第i个节点的邻居节点个数，Di,j表示第i个节点与第j个节点之间的距离，Mi表示第i个节点与其传感范围相交的所有节点的距离的平均值.

能量约束是一个限制的主要障碍无线传感器网络的长期可持续性.对于传统的传感器网络，无线电通信消耗大部分能量，而接收和发射模式可比的电力消耗.远程监测系统作为一个长期的部署必须考虑改善能耗表现.NPUMote使用两节电池干电池来提供电力.长期部署是对电力的挑战.虽然我们在节点，电源中实现占空比机制消费也是非最佳的.因此，我们提出了一个基于MATLAB的能量平衡数据聚合算法，来平衡每个节点的剩余能量并延长网络的生命周期.这个程序基于自适应蚁群算法，增加了一个灵感的能量因子，利用定向扩散实现平衡能量程序.虽然该算法可以延长我们的寿命系统，但它不是这项设计的初衷.设计基于剩余能量的循环机制有效的动态任务，这是我们的未来研究方向.众所周知，时间同步非常重要分布式系统，尤其是无线应用传感器网络.

3.2 信息管理

网关和通信服务器在管理系统中扮演媒体的角色.该网关通过RS-232将数据从接收器转换为数据TCP/IP到通信服务器，反之亦然.通信服务器为用户提供服务管理员.最重要的是，用户可以使用管理系统将设备远程控制放置在监视农田.

如上所述，网关和通信服务器提供系统中的信息路径.监控数据存储在数据库中并向其他人提供服务应用，例如网络和智能诊断.智能诊断系可以判断系统环境因素是否符合给定的阈值.一旦检测到异常情况，就能迅速诊断出来并由系统将发送命令，包括接通或关闭灌溉设备，排气扇等，以通信服务器然后传输到受监控的农田温室.Web服务提供在线查询和管理功能.如果用户想要改变检测环境因素的阈值，必须通过远程监测系统验证，然后发送命令改变参数.我们面前还有另一个问题.远程监测系统是一个长期部署应用程序，监控数据将更多随着时间的推移.然后是数据库的容量存储监控数据的越来越少.如何处理历史数据对于基于WSN的所有长期应用程序来说都是一个大问题.

远程服务器存储，处理和呈现无线传感器网络收集的信息.数据不仅仅是感知还要控制和管理消息.最终用户可能通过图形用户界面检查系统状态(GUI)可通过我们的网站访问.用户能够观察节点报告的实时数据，用户能够管理配备的设备在受监控的地区.

4 实验结果与分析

试验中将10个传感器节点及簇首布置在农田中，各传感器节点每小时进行一次信息采集，并将该信息嵌入TinyOS数据包后发送到簇首.簇首每24 h将各传感器节点的测量数据统一发送到基站节点，并送至计算机中保存.试运行期内各节点每天应收数据包24个.根据计算机最终接收到的各节点数据包数计算其数据包传输率，如式(4)所示.

(4)

式中：NR,pdr表示试运行期内各节点数据包传输率，Nr表示试运行期内各节点实收正确数据包总数，Nt表示试运行期内各节点应收数据包总数.各传感器节点在试运行期内的数据包传输率如表1所示.由表1可以看出，系统整体运行情况良好，8个节点中有7个的总体数据包传输率高于90%.

表1 试运行期内各传感器节点的数据包正确传输率

5 结 论

提出了基于WSN的农田远程监测系统设计，通过在农田部署传感器节点，实现精准农业监控.在我们未来的工作中，我们将实现长远目标部署.有很多房间可以改善和完善传感器网络和监控系统包括挑战上文提到的.我们未来的研究将集中在能源上保存，数据融合和其他方向.