适宜于农业监测和控制的WSN应用框架构建

　　0、 引言

　　物联网是继计算机、互联网之后的第三代信息技术革命,引领着社会发展的潮流。WSN 是物联网的关键的技术,它由部署在监测区域内大量廉价的、低功耗的、具有感知、通信和计算能力的小巧节点组成。WSN 将最终成为联系物理世界和客观世界的接口,人们可以通过 WSN 获取客观世界的信息并做出判断。把 WSN 应用于农业中,实时获取农业生产环境、作物生长状态等客观信息,能实现对农业环境的实时监测,采取正确的决策提高农产品质量和产量,能寻找农业生产的各种因素和农产品产量和质量之间的内在联系并建立模型,为农业生产提供科学精确的指导。

　　目前,WSN 在农业生产中大多应用于环境监测和智能控制。很多研究成果均根据各自需求,设计不同的软硬件平台,提出了多种基于 WSN 的解决方案,实现了对目标环境的信息采集。裴素萍和吴必瑞为了提高农业节水灌溉的效率,以 TI 公司的MSP430F149 低功耗单片机为基础,结合 CC2520 和CC2591 作为 ZigBee 的无线网络节点,实现了土壤干湿度信息的采集、存储和网络控制。孙彦景等研发了一套基于物联网关键技术的农业信息化系统,描述了该系统的硬件组成和系统结构,详细介绍了系统的软件设计以及主要功能模块的运作流程,实现了农业的智能化和自动化运作。Antonio - Javier Garcia -Sanchez等人实现了对多个分散农田的信息采集,且能实现图片采集的功能。J. A. López Riquelme等搭建了一个包括土壤节点、环境节点、水分节点和网关节点4 类节点的 WSN 平台,每类节点都能连接不同类型的传感器,分别在实验室和田间进行了实验验证。

　　常超等详细介绍了无线传感器网络节点和网关节点的硬件设计及各类节点内的软件设计,包括簇网络建立流程、信息传输过程、无线网关信息传输流程等。张瑞瑞等描述了传感器节点的硬件结构及模块化软件的设计方法,平台较多关注数据采集部分,或平台的软硬件的设计。

　　已有的平台较多关注数据采集部分,或平台的软硬件的设计。为此,从较宏观的角度提出了一种适宜于农业监测和控制的 WSN 应用框架(WSNFFA) 。为了评估 WSNFFA 的性能,搭建了基于 WSNFFA 的WSN 平台,用于实现对苹果园环境进行监测。系统运行结果表明,系统总体运行稳定,满足苹果园环境监测的需求。

　　1、 系统总体框架

　　1. 1 设计原理

　　目前,大多 WSN 在农业中主要用于信息监测和控制。通过装有传感器的 WSN 节点采集信息,对采集的信息进行分析、组织和传输,并最终实现农业生产环境和农业生产者及农业专家的零距离,对采集的数据进行分析决策,并采取正确的措施。底层的信息采集是 WSN 的关键部分,采集准确的数据,并将数据可靠快速地传输至汇聚节点是 WSN 存在的基础。然而,如何将采集的数据高效有序地传输至上层服务器,如何高效地组织数据架构,如何合理地构建视图及展示数据是 WSN 平台的最终目的。本文从一个宏观的角度提出了一种适宜农业监测和控制的 WSN 应用框架 WSNFFA,从数据流的角度将 WSN 平台主要划分为 3 层,即信息的采集及汇聚、信息的传输及数据的管理和显示。同时,WSNFFA 阐述了相邻两层之间的接口及通信方法,具体流程如图 1 所示。

　　1. 2 信息采集汇聚模块及与上层接口

　　信息的采集与汇聚部分主要实现目标信息的采集并将信息传输至汇聚节点。该部分也是目前大多相关研究关注的热点。监测区域由大量的节点组成,节点由微处理器、传感器、无线通信模块组成,如图 2 所示。微控制器通过传感器采集信息,通过无线通信模块与其他节点进行通信。

　　目前,ZigBee 通信技术以其低功耗、自组网、低成本、支持大量的节点而受到众多研究及应用者的青睐。在人类难以接触的环境,如战场、原始森林等,通过飞机抛洒大量的节点到监测区域,节点通过不断地交换信息更新网络状态。然而,农田环境中,人类容易接触,可以通过手工的部署节点实现对目标准确的监测,降低成本。同时,农田环境的监测大多只需以固定的时间间隔进行信息采集即能满足监测要求,且农田中节点的查看和电池更换方便。ZigBee网络由于节点间频繁的通信会造成不必要的能量浪费,不适宜于农田中的 WSN 应用。

　　基于 TDMA 的信息传输方式,把时间划分为一个个时隙,节点只能在自己分配的时隙内进行数据的发送。该方法避免了节点间频繁通讯而浪费能量。同时,在非分配的时间,节点可以进入睡眠状态以节省能量。基于 TDMA 的协议对于节点的时间同步性要求较高,为了使各个节点同步,在所有节点的发送间隙之后设置一个同步间隙。在同步间隙,簇首节点广播信息,各节点收到信息后进行时间同步,如图 3 所示。若监测区域较大,把 WSN 节点划分为若干个簇,每个簇由一个簇头和若干个采集节点组成,采集节点只于自己的簇头通信,簇头之间彼此通信通过多跳把数据发送至汇聚节点。

　　在汇聚节点把采集的数据正确有序地传输至数据接收服务器,是信息监测平台运行的有力保障。GPRS技术具有数据传输速率高、永久在线,能实现远距离传输等优点。WSNFFA 采用 GPRS 网络实现数据从信息采集的 WSN 网络与用户端 Internet 网络的传输。目前,大多 GPRS 模块已固化了 TCP/IP 协议栈,使用方便。

　　在数据接收服务器端,WSNFFA 采用 Socket 技术接收 GPRS 发来的数据。已有一些学者针对 Socket 在WSN 监测系统的应用进行了研究。周乐钦等在分析基于 HTTP 协议的 AJAX 轮讯技术的基础上,提出了一种基于 Web-Socket 协议的推送数据技术在监控系统中的应用研究。王堃等在物联网平台的通讯层,利用缓冲池、线程池建立多线程并发连接,提出一种高效 Socket 服务器设计方案,最大限度地减少系统开销和缓存的使用,增强了服务器的处理能力。

　　1. 3 数据接收服务器及与上层通讯接口

　　数据接收服务器是 WSN 和上层数据管理和显示服务器之间的纽带,不仅负责接收 WSN 端传输来的数据,还需把数据传输给上层的数据管理和显示服务器。WSNFFA 采用 Web Service 实现数据接收服务器和数据管理及显示服务器之间的数据传输。WebService 是一个公共的网际间对象互操作的标准协议。

　　它具有灵活的扩展性、组织结构的松散耦合、功能强大的交互性及完备的服务功能等特点。

　　1. 4 数据管理及显示

　　数据管理和显示服务器是 WSN 采集数据的最终目的,它存储和管理数据并将数据友好地展示给用户,是与用户的接口。数据管理和显示服务器主要负责实时数据的更新和显示、历史数据的管理和采集时间间隔的控制等。WSNFFA 采用 B/S 架构,用户只需通过浏览器即可实现对信息的查看及管理。使用XML 存储数据。XML(Extensible Markup Language,可扩展标记语言) 是一种简单易用的面向网络的可扩展标记语言,具有可扩展性强、灵活性强、可自描述性等特点,已被广泛应用于 Web 服务等多种应用中。

　　用户展示接口是 WSN 应用平台的最终目的,界面的友好性及用户的个人体验决定了 WSN 平台的成败。为了提高用户体验水平,采用 Javascript 实现页面不刷新的动态显示; 为了直观明了,实现了各种参数的数据曲线走势图的实时显示。

　　2、 实际系统设计

　　为了验证 WSNFFA 框架,设计了用于实现苹果园环境监测的 WSN 系统平台,能实现对果园环境温湿度、土壤温湿度及光照强度等参数的实时监测。WSN信息采集与汇聚部分的微处理器采用 TI 公司的CC2530。CC2530 内部集成了一个增强型 8051 单片机,含高达 256kB 的闪存,支持 2. 4GHz IEEE 802. 15.4 射频收发,是片上系统高度集成的芯片解决方案。

　　网关节点的 GPRS 模块采用西门子公司生产的MC55I,内嵌了 TCP / IP 协议栈,性能稳定。在通讯过程中,通过短信发送 AT 指令给 MC55I 模块设置服务信息接收服务器的 IP 地址,设置成功后,便能将采集的数据发送至远程的数据接收服务器,实现与 Internet的通信链路。数据接收服务器的用户界面如图 4 所示。

　　数据接收服务器通过一个定时器控件实现按设置的采集时间间隔发送命令给网关,请求网络参数或采集的数据。同时启用一个后台线程通过 Socket 接收网关节点来的数据。数据接收服务器通过一个定时器控件实现按设置的采集时间间隔发送命令给网关,请求网络参数或采集的数据,同时启用一个后台线程通过 Socket 接收网关节点来的数据。数据接收服务器接收的数据通过 Webservice 传输给上层的数据管理及显示服务器的 XML,数据管理及显示服务器通过 XML 实时显示数据。为了提高用户体验水平,采用了 Javascript 及 ajax 实现页面不刷新动态显示(见图 5) ,且能下载指定时间段的历史数据。

　　为了直观明了,设计了实时显示各种参数每天的走势图,如图 6 所示。

　　3、 结果和讨论

　　物联网作为继计算机、互联网之后的第三次信息革命,成为国内外关注的热点问题。WSN 作为物联网的一种关键技术已经越来越多地应用到军事、智能家居、农业各个领域。农业信息化能推动传统农业向知识型农业发展、促进农业发展并提高农业经济效益,在农业发展中具有重要作用。研究分析发现,目前WSN 在农业应用中大多用于信息监控,已有众多的研究人员针对不同的情况提出了各种 WSN 平台,各种研究侧重点不同。WSN 只能负责采集数据,数据的传输管理及各层次之间的接口是构建可靠稳定 WSN 系统的必要和关键。同时,友好直观的用户界面是 WSN成功应用的最终目的。鉴于此,本文从应用的角度提出了一种适宜农业监测和控制的应用框架 WSNFFA。

　　为了对该框架进行分析和验证,基于 WSNFFA 实现了苹果园环境监测的 WSN 应用平台。试验结果表明,系统运行稳定,能满足苹果园环境监测的要求。

　　WSNFFA 仍然存在有待于改善和提高之处。例如,基于 WSNFFA 实现的监测平台偶有出现数据断流的现象。研究分析表明,断流原因多是由于 Socket 失效、不能正确接收数据造成的,需重新启动数据接收服务器解决问题。因此,进一步优化数据接收服务器,寻找并解决数据断流的本质原因,实现数据通信的健壮性和可靠性,是下一步需要解决的问题。同时,完善上层的数据管理和显示服务器,提高用户体验水平; 构建高效的数据架构,为农业专家及农户提供更便利的服务接口,也至关重要。

　　参考文献:
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