周麗萍，陳　志，陳　達(dá)，苑嚴(yán)偉，劉陽春

（1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京　100083；2.中國機械工業(yè)集團有限公司）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控中的研究進展

周麗萍1，陳志2※，陳達(dá)2，苑嚴(yán)偉1，劉陽春1

（1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京100083；2.中國機械工業(yè)集團有限公司）

摘要：文中針對養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控現(xiàn)狀綜述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢。重點對水產(chǎn)、禽、生豬養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)控技術(shù)研究進展進行了分析，論述了節(jié)點能量管理、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、時鐘同步以及節(jié)點定位等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控中的關(guān)鍵技術(shù)，對研發(fā)低功耗傳感器、節(jié)點優(yōu)化設(shè)計、適應(yīng)于養(yǎng)殖環(huán)境的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議等研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；養(yǎng)殖環(huán)境；監(jiān)控

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless sensor networks）綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，是21世紀(jì)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。養(yǎng)殖環(huán)境的好壞直接關(guān)系到養(yǎng)殖物的生長和發(fā)育，從而決定著產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的高低。我國是養(yǎng)殖大國，隨著養(yǎng)殖業(yè)的集約化、規(guī)模化發(fā)展，環(huán)境控制越來越重要[1]，養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)控推動粗放式低效養(yǎng)殖業(yè)向知識型、技術(shù)型、現(xiàn)代化型的高效養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)變。集約化養(yǎng)殖業(yè)中實現(xiàn)在線污染監(jiān)測的困難在于：面積較大，設(shè)備較昂貴，布點、布線不方便(即沒有電源線)，沒有IP網(wǎng)絡(luò)支持，儀器設(shè)備運行成本高等。隨著無線傳輸技術(shù)、IP技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以較好地解決以上一系列問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用，是用各類感知設(shè)備采集養(yǎng)殖環(huán)境的各種參數(shù)信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動通信無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸，將獲取的各種信息進行融合、處理，最后通過智能化操作終端，實現(xiàn)養(yǎng)殖前、中、后的過程監(jiān)控、科學(xué)決策和實時服務(wù)。近年來，世界各國紛紛加大投入，運用自動控制技術(shù)、化學(xué)分析技術(shù)以及計算機測控技術(shù)等先進手段來發(fā)展養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控，旨在建立一個以養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)綜合指標(biāo)為基礎(chǔ)的適時監(jiān)控系統(tǒng)，以求在環(huán)保、節(jié)能的同時達(dá)到高產(chǎn)、安全養(yǎng)殖的目的。

1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外已開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)監(jiān)測相關(guān)方面的應(yīng)用研究。國外的現(xiàn)場水質(zhì)參數(shù)采集開始于化學(xué)分析法，主要有水質(zhì)監(jiān)測車和水質(zhì)分析箱?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，國外比較典型的代表有美國的Heliosware公司的EMNET系統(tǒng)和澳大利亞CSIRO的Fleck系統(tǒng)，但他們研發(fā)的系統(tǒng)通信速率低、產(chǎn)品體積較大、功耗較高[2]。Francisco J.等人針對溫度、溶氧、水和空氣壓力等指標(biāo)，開發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)模塊采用2.4GHz的ZigBit集成電路與Atmel公司的雙芯片天線組裝，協(xié)調(diào)器采用RS-232串行接口與中央處理計算機相連。數(shù)據(jù)包和傳感器數(shù)值通過串口發(fā)送至中央處理計算機，通過郵件提取這些數(shù)據(jù)，并發(fā)送至路由器或協(xié)調(diào)器。監(jiān)控系統(tǒng)將收到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行對比，如果達(dá)到上限，將通過郵件和手機短信發(fā)送至管理員。曾寶國等基于ZigBee、GPRS、智能水質(zhì)傳感器等技術(shù)手段，設(shè)計了水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過無線傳感器節(jié)點分布式動態(tài)組網(wǎng)，實現(xiàn)大范圍、24小時不間斷的監(jiān)測包括水位、溶解氧、PH值、溫度等水質(zhì)參數(shù)；通過無線傳感器的節(jié)點定位部署，可實時偵測養(yǎng)殖用水各采樣點的水環(huán)境,也可根據(jù)區(qū)域進行局部水環(huán)境數(shù)據(jù)分析；通過增氧機、抽水泵等反饋控制設(shè)備，可遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水環(huán)境[4]。

王驥等設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、各類海洋氣象與災(zāi)害的數(shù)值預(yù)報預(yù)測等功能[5]。該系統(tǒng)由監(jiān)測傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)、智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與實時信息處理系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成，各個子系統(tǒng)分別執(zhí)行對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的提煉、信息的傳輸及處理，最終完成整個系統(tǒng)的信息加工、制作、播報等功能。萬傳飛等針對水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)特點和對其監(jiān)控的要求，結(jié)合WSN的技術(shù)優(yōu)勢，研制了一套基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，形成獲取環(huán)境參數(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò)?；贕PRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端服務(wù)器的通信[6]。趙敏華等針對傳統(tǒng)有線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進行水環(huán)境污染檢測時監(jiān)測點數(shù)量多、監(jiān)測時間長的問題，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。通過無線傳感器節(jié)點對被監(jiān)測水域進行水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進行匯總及處理，并經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)及時地遠(yuǎn)程傳送給監(jiān)管部門，從而實現(xiàn)對河流水質(zhì)情況的實時、有效的監(jiān)督和管理[7]。丁文等利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建了一個智能化、網(wǎng)絡(luò)化的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對水溫、溶氧、pH值、濁度和氫氮等多種水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境指標(biāo)參數(shù)進行實時自動監(jiān)測、遠(yuǎn)程無線傳輸、數(shù)據(jù)自動處理分析、多平臺控制、智能預(yù)警和手機短信報警等功能，從而最大限度地提高養(yǎng)殖水體的利用率，為養(yǎng)殖對象提供適宜生長的環(huán)境條件，有效地控制和保證水產(chǎn)品的質(zhì)量安全[8]。杜治國等提出了基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的遠(yuǎn)程實時水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的獲取及傳輸[9]。黃建清等為解決目前水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)存在布線困難、靈活性差和成本高等問題，以水體溫度、pH值和溶解氧濃度為監(jiān)測目標(biāo)，構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集功能，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測中心。傳感器節(jié)點的處理器模塊采用MSP430F149單片機，無線通信模塊由nRF905射頻芯片及其外圍電路組成，傳感器模塊以PHG-96FS 型pH復(fù)合電極和DOG-96DS型溶解氧電極為感知元件，電源模塊以LT1129-3.3、LT1129-5和Max660組成的電路提供3.3和±5V。設(shè)計了傳感器輸出信號的調(diào)理電路，將測量電極輸出的微弱信號放大，滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。節(jié)點軟件以IAR Embedded Workbench為開發(fā)環(huán)境，采用單片機C語言開發(fā)，實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)采集與處理、無線傳輸和串口通信等功能。監(jiān)測中心軟件采用VB6.0開發(fā)，為用戶提供形象直觀的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺[10]。宦娟等設(shè)計了一種基于ZigBee協(xié)議的水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳感器檢測節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點之間數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確的傳輸，實現(xiàn)了對溶解氧、pH值、溫度等多參數(shù)的采集、處理和顯示[11]。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

劉艷針對水產(chǎn)養(yǎng)殖中常見的網(wǎng)箱和池塘養(yǎng)殖環(huán)境,采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究設(shè)計了水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖各種環(huán)境因子的實時監(jiān)測，為用戶科學(xué)養(yǎng)殖提供幫助，并且為進一步降低養(yǎng)殖成本，優(yōu)化養(yǎng)殖過程，提高養(yǎng)殖收益，實現(xiàn)健康養(yǎng)殖提供一種可行的新方法。以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為主要研究對象，根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的特點，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了一個水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境的溫度與溶氧濃度。在該系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點可對養(yǎng)殖環(huán)境信息進行采集,然后將采集到的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點再通過串口將數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式發(fā)往數(shù)據(jù)管理中心，數(shù)據(jù)中心根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行合理的決策和管理，從而實現(xiàn)了科學(xué)養(yǎng)殖[12]。董方武等采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一套淡水養(yǎng)殖溶氧濃度監(jiān)控系統(tǒng)[13]。史兵等研發(fā)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用方案，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了溶解氧、溫度、pH值數(shù)據(jù)的采集與傳輸，利用計算機技術(shù)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的處理分析，并得到控制信號[14]。陸健強等結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測的特點設(shè)計了一種基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測信息發(fā)布系統(tǒng)，采用MSP430芯片為控制核心，將各節(jié)點的數(shù)據(jù)采集到匯聚節(jié)點，采用LED屏顯示信息，工作人員可直接觀察到監(jiān)測數(shù)據(jù)[15]。張遠(yuǎn)霞等采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為主要通信手段,實現(xiàn)對海水養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測[16]。潘賀等研究設(shè)計了采用Modbus RS485協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的水環(huán)境的pH值和DO值進行了驗證[17]。張新榮等提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過在監(jiān)測區(qū)域部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以微處理器為核心控制單元的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時采集水體溫度、溶氧量濃度和pH值等環(huán)境數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)變化[18]。

2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

2.1豬舍環(huán)境監(jiān)控

梁萬杰等針對豬舍環(huán)境監(jiān)測的環(huán)境特點，采用改進后的低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議(LEACH, Low energy adaptive clustering hierarchy)、3G通訊設(shè)備和TELOSB無線傳感器節(jié)點以及光、溫度、濕度和氨氣傳感器搭建了一個豬舍環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用J2EE軟件系統(tǒng)解決方案開發(fā)了一套豬舍環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)，構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[19]。該管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時環(huán)境數(shù)據(jù)查看、歷史記錄查詢、自動生成環(huán)境參數(shù)曲線圖、環(huán)境數(shù)據(jù)分析和報警等功能。牛曉晨等采用Microsoft SQL Server 2008進行了數(shù)據(jù)庫設(shè)計，使用UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器端程序采用多線程技術(shù)接收、分析和儲存數(shù)據(jù)，客戶端查詢數(shù)據(jù)并對異常值報警，建立了圈舍環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)[20]。周晨飛設(shè)計了基于Zigbee技術(shù)的智能豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計了由網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、通訊協(xié)議、無線傳感節(jié)點和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成的整體框架，實時采集豬舍內(nèi)溫度、濕度、光照、氨氣濃度等數(shù)據(jù)[21]。采用Digi公司生產(chǎn)的ConnectportX2作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，組建mesh網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)2.4G高頻設(shè)計規(guī)范，設(shè)計電路保證Zigbee設(shè)備的通訊距離和通訊質(zhì)量。通過研究IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和Zigbee規(guī)范，應(yīng)用ConnectportX2內(nèi)置的Python Engine，編程實現(xiàn)了Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的組建網(wǎng)絡(luò)功能。朱偉興等采用Zigbee無線技術(shù)將豬舍內(nèi)各保育床及周圍設(shè)備組成無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以ARM-LINUX嵌入式服務(wù)器為現(xiàn)場控制中心。系統(tǒng)依據(jù)分布于各保育床內(nèi)的傳感器獲得的環(huán)境參數(shù)，精確調(diào)節(jié)各保育床內(nèi)的小氣候環(huán)境。通過WIFI無線技術(shù)將服務(wù)器與INTERNET無縫連接，使用戶端延伸并擴展到豬舍及室內(nèi)設(shè)備，實現(xiàn)環(huán)境與設(shè)備之間，環(huán)境與人之間進行信息交換[22]。李麗琳通過無線智能傳感器、無線或短信通信終端、監(jiān)控中心和執(zhí)行節(jié)點四部分，采用集散控制方法，實現(xiàn)了對環(huán)境安全型豬舍的監(jiān)控[23]。設(shè)計的系統(tǒng)能通過無線與短信配合的方式，對豬舍的空氣質(zhì)量、溫度、濕度、飲用水質(zhì)量進行監(jiān)測和報警。劉樹香等以無線通信模塊JN5148為核心，設(shè)計了環(huán)境監(jiān)測儀，采用ZigBee無線通信技術(shù)進行了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)開發(fā)，對豬舍溫度、濕度、氨氣（NH3）濃度和硫化氫（H2S）濃度進行動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)了通過手機、電腦等智能終端進行預(yù)警提示[24]。孫倩文針對現(xiàn)代養(yǎng)豬場建舍地點偏僻、豬舍環(huán)境復(fù)雜、不易布線等特點，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和Android技術(shù)設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的豬舍溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，通過中心服務(wù)器實現(xiàn)了對豬舍溫濕度監(jiān)測與控制[25]。該系統(tǒng)由無線傳感器采集網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、中心服務(wù)器和手機客戶端組成。利用ZigBee通信技術(shù)的特點，在豬舍里部署ZigBee傳感器節(jié)點，搭建無線傳感器采集網(wǎng)絡(luò)，ZigBee傳感器節(jié)點可以對豬舍溫度與濕度進行采集并發(fā)送到嵌入式網(wǎng)關(guān)。嵌入式網(wǎng)關(guān)以三星S3C2440為主處理器，搭載傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點和移動模塊GTM900C，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的信息網(wǎng)絡(luò)可以交互。中心服務(wù)器連接在Internet上，通過Socket與嵌入式網(wǎng)關(guān)通信，負(fù)責(zé)接收采集的溫度和濕度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫和轉(zhuǎn)發(fā)用戶指令給嵌入式網(wǎng)關(guān)。利用J2EE分層次思想，在中心服務(wù)器搭建Web服務(wù)器程序。服務(wù)器端程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯層，響應(yīng)客戶端的請求并返回JSON格式數(shù)據(jù)。謝秋菊等針對國內(nèi)目前豬舍環(huán)境監(jiān)測相對落后的現(xiàn)狀，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了高效的豬舍環(huán)境三級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[26]。以ZigBee模塊CC2430芯片為核心設(shè)計了傳感器終端節(jié)點、單舍控制節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)器，同時給出了軟件流程及多傳感器數(shù)據(jù)處理和融合算法，設(shè)計了豬舍環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。張偉等采用簇型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以MSP430單片機為現(xiàn)場控制中心，采用RFID技術(shù)，組建了豬只智能群養(yǎng)管理系統(tǒng)；依據(jù)分布在養(yǎng)殖環(huán)境的傳感器獲得的環(huán)境參數(shù)，應(yīng)用交叉雙鏈通信方式有效地解決了在通信鏈路中某一傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的整條鏈路通信失敗的情形，保證了通信的穩(wěn)定性精確調(diào)整豬舍環(huán)境[27]。韓寶龍等設(shè)計了一種基礎(chǔ)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的豬場養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制算法，解決環(huán)境因子之間的強耦合，提高系統(tǒng)的實時性[28]。該系統(tǒng)控制層由終端節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)組成，終端節(jié)點采用MSP430芯片和CC2430芯片的雙核控制器，與環(huán)境監(jiān)測傳感器和控制設(shè)備相連，實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時控制。

2.2禽舍監(jiān)控

王冉等針對規(guī)?；B(yǎng)殖中禽舍環(huán)境監(jiān)測難的問題設(shè)計開發(fā)了一套基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對禽舍環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、光照、大氣壓、氨氣濃度等指標(biāo)）進行實時監(jiān)測，并應(yīng)用在蛋雞舍環(huán)境監(jiān)測中，根據(jù)設(shè)定的環(huán)境指標(biāo)上下限自動控制禽舍相關(guān)設(shè)備如風(fēng)機、風(fēng)扇、濕簾、電燈等的開啟[29]。王新政在分析禽舍環(huán)境內(nèi)溫濕度和空氣質(zhì)量測控機理的基礎(chǔ)上研究了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺的禽舍環(huán)境智能測控關(guān)鍵技術(shù)，給出了基于ZigBee協(xié)議的禽舍環(huán)境參數(shù)測量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法，提出了禽舍環(huán)境參數(shù)模糊數(shù)據(jù)融合檢測方法，并根據(jù)禽類飼養(yǎng)要求和禽類生存特性分析了禽舍環(huán)境內(nèi)溫濕度和禽類群居特性之間的變化規(guī)律，建立了禽舍環(huán)境參數(shù)變化與測控技術(shù)要求之間的關(guān)系，構(gòu)建了一類基于ZigBee協(xié)議的禽舍環(huán)境測控系統(tǒng)。提出了基于模糊理論的禽舍環(huán)境參數(shù)多傳感器數(shù)據(jù)融合的檢測方法。針對多傳感器數(shù)據(jù)融合過程中傳感器的可靠度估計值很難計算的問題，以禽舍溫度為采集對象，分別提出了基于統(tǒng)計方法和時空融合方法的多傳感器模糊貼近度計算方法并進行了實驗分析。針對實際禽舍溫濕度系統(tǒng)的非線性、變參數(shù)等特性，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究的基礎(chǔ)上,研究了變結(jié)構(gòu)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，基于Lyapunov穩(wěn)定性理論分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并針對不確定性滿足匹配條件與非匹配條件，分別設(shè)計了兩類控制系統(tǒng)并就其等效系統(tǒng)給出了不確定系統(tǒng)穩(wěn)定以及滑模的到達(dá)條件；同時為了降低系統(tǒng)設(shè)計的保守性,將設(shè)計的控制器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)相結(jié)合，給出一類智能變結(jié)構(gòu)的溫濕度控制過程系統(tǒng)設(shè)計方法。給出了基于ZigBee協(xié)議的禽舍環(huán)境參數(shù)測量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法，以禽舍溫度為采集對象，分別提出了基于統(tǒng)計方法和時空融合方法的多傳感器模糊貼近度計算方法，開發(fā)了基于MCGS組態(tài)的禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[30]。姜晟等研究構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程禽舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計并研制了以監(jiān)測禽舍環(huán)境溫濕度、氨氣濃度為目的的傳感器節(jié)點和路由節(jié)點，以數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸為目的的GPRS網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，實現(xiàn)了禽舍環(huán)境信息遠(yuǎn)程在線監(jiān)測[31]。高中霞等利用zigbee技術(shù)將分布在禽舍的傳感器節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用jn5139為核心模塊，利用溫濕度傳感器sht11采集禽舍內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，以Labview為監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了監(jiān)測禽舍內(nèi)的環(huán)境溫濕度[32]。鮑海虹等針對目前規(guī)?；蓊愷B(yǎng)殖環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測困難、監(jiān)控手段落后、獲得的數(shù)據(jù)指標(biāo)誤差大等特點，以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)研究設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的養(yǎng)殖環(huán)境指標(biāo)實時監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可控制禽舍小氣候，為動物提供舒適環(huán)境，促進動物生長，凈化環(huán)境。通過對禽類規(guī)?；B(yǎng)殖環(huán)境中溫度、濕度、光照強度和氨氣濃度數(shù)據(jù)的實時采集、處理、傳輸、存儲、顯示及無線網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控和管理，實現(xiàn)了對禽舍養(yǎng)殖環(huán)境中溫度、濕度、光照強度和氨氣濃度數(shù)據(jù)的采集和處理[33]。杜峰等將無線傳感器節(jié)點技術(shù)作為封閉式雞舍環(huán)境監(jiān)測中數(shù)據(jù)采集和傳輸載體，對封閉式雞舍監(jiān)測環(huán)境的監(jiān)測節(jié)點進行了設(shè)計。節(jié)點由AVR系列單片ATmega16L、傳感器模塊STH7X、兩線式串行總線串口通信模塊、無線通信模塊KYL-1020L等組成[34]。

3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

節(jié)點能量管理技術(shù)：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里，電源能量是各個節(jié)點最寶貴的資源[35]，為了保證傳感器網(wǎng)絡(luò)使用更長的時間[36]，必須加強能量管理來控制各節(jié)點的能量使用[37]，來實現(xiàn)協(xié)同節(jié)約能源規(guī)模布置的監(jiān)測系統(tǒng)[38]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)：無線網(wǎng)絡(luò)包含許多無線節(jié)點，為了節(jié)約能量，部分節(jié)點在某些時刻會進入休眠或半休眠狀態(tài)，這會使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，為了使網(wǎng)絡(luò)正常運行，必須進行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?，控制?jié)點狀態(tài)，使網(wǎng)絡(luò)暢通，保障數(shù)據(jù)有效傳輸[39-42]。

時鐘同步技術(shù)：時鐘同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）操作的關(guān)鍵技術(shù)，WSN的許多應(yīng)用程序需要的數(shù)據(jù)的一致性和協(xié)調(diào)精確的時鐘同步[43]，它為不同的節(jié)點提供了一個共同的時幀[44]。它支持基于時間的從不同傳感器節(jié)點信道共享和協(xié)調(diào)睡眠喚醒節(jié)點的調(diào)度機制來融合數(shù)據(jù)[45]。

節(jié)點定位技術(shù)是指確定傳感器的每個節(jié)點的相對位置或絕對位置[46]。節(jié)點定位在環(huán)境監(jiān)控中尤為重要[47]，定位方式分為集中定位和分布式定位兩種。集中定位技術(shù)指傳感器節(jié)點都將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€中心位置，在這里執(zhí)行計算來決定每個節(jié)點的位置。分布式定位技術(shù)不要求集中式計算，每個節(jié)點只需依靠與臨近節(jié)點的有限通信就可決定自己的位置。根據(jù)位置估測機制的不同，又將分布式定位技術(shù)分成兩類：距離相關(guān)（Rangebased）定位和距離無關(guān)（Range-free）定位[48]。

4　結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控中應(yīng)用具有部署靈活和擴展性好及不受傳輸距離的限制等特點，可以有效降低系統(tǒng)部署和維護成本。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛、深層次的應(yīng)用，能夠促進養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)方式向高產(chǎn)、高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)和安全的方向轉(zhuǎn)變。但還存在一些問題需要進一步探討和研究。（1）研發(fā)低功耗傳感器。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置了大量離線傳感器，傳感器的功耗將直接影響系統(tǒng)工作的持續(xù)、采集數(shù)據(jù)的有效性。應(yīng)利用微電子技術(shù)與傳感器技術(shù)，研制低功率傳感器；（2）節(jié)點優(yōu)化設(shè)計。傳感器節(jié)點的設(shè)計是搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，降低節(jié)點部署成本，得到保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)容錯性所需的節(jié)點位置和節(jié)點類型將是下一步的研究方向；（3）研究適應(yīng)于養(yǎng)殖環(huán)境的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議任務(wù)是在傳感器節(jié)點和Sink節(jié)點之間建立路由，可靠的傳遞數(shù)據(jù)。應(yīng)進一步研究在養(yǎng)殖環(huán)境中應(yīng)用何種路由協(xié)議，確定不同養(yǎng)殖環(huán)境中的應(yīng)用路由協(xié)議，以確保降低帶寬消耗和發(fā)射功耗，減少數(shù)據(jù)冗余，提供有效數(shù)據(jù)。

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Advances in Wireless Sensor Networks Research on Culture Environmental Monitoring

ZHOU Li- ping1, CHEN Zhi2, CHEN Da2, YUAN Yan- wei1, LIU Yang- chun1
（1. Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083 China; 2. China National Machinery Industry Corporation)

Abstract:This paper reviews the application and development trend of wireless sensor networks on culture environmental monitoring. Focus on fisheries, poultry and pig culture research progress of environmental monitoring techniques are analyzed, discussed the node energy management, wireless sensor network topology, clock synchronization, and wireless sensor network node localization culture environmental monitoring of key technology. Research and develop low power consumption sensor nodesoptimized design, adapted to the culture environment research direction sensor network routing protocolsin the future.

Key words:WSN; Culture Environment；Monitoring

通訊作者：陳 志

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃資助項目（2014BAD08B07）

收稿日期：2015-07-09

文章編號：1007-7782（2015）04-0034-05

中圖分類號:S815

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.04.014