基于WSN技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

苑校楠

[摘 ? ? ? ? ?要] ?根據(jù)我國農(nóng)業(yè)信息化與現(xiàn)代化“兩化融合”的發(fā)展戰(zhàn)略，結(jié)合當前設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢與生產(chǎn)過程中的實際問題，本文提出并設(shè)計了一種基于WSN技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)以WSN為核心，綜合運用電氣技術(shù)、信息技術(shù)與自動化控制技術(shù)，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是設(shè)計了一套可適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。以WSN為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營領(lǐng)域的應(yīng)用，對于我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的示范推動作用，伴隨著本課題研究方向的不斷延伸，將從控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，釋放農(nóng)業(yè)勞動力，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風險等多個方面，提升我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟、社會與生態(tài)效益。

[關(guān) ? 鍵 ? ?詞] ?WSN技術(shù);設(shè)施農(nóng)業(yè);環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

[中圖分類號] ?TP274 ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] ?A ? ?[文章編號] ?2096-0603（2015）27-0112-02

一、引言

迄今為止，我國已有七千余年的農(nóng)業(yè)文明史，作為幅員遼闊的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)作為第一經(jīng)濟要素對我國的物產(chǎn)、人文、地理和歷史都產(chǎn)生了不可磨滅的深遠影響。伴隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷推進，逐步形成了一套具有中國農(nóng)耕特征的生產(chǎn)作業(yè)習慣。但是，隨著以規(guī)模化和自動化為特征的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國粗放式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式受到了極大沖擊，缺少自動化與信息化的管理手段，這成為制約我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素之一，尤其是在以溫室大棚為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，這一問題更為突出。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)泛指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、服務(wù)與管理過程中，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與信息化的“兩化融合”，達到集約生產(chǎn)、規(guī)模經(jīng)營和現(xiàn)代管理的建設(shè)目標。WSN（Wireless Sensor Network，簡稱“WSN”）技術(shù)是將傳感器、儀器設(shè)備、電氣設(shè)備、自動控制設(shè)備和射頻設(shè)備，通過短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，與上位機軟件進行雙向通信的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有分布靈活、價格低廉、實用性強、易于維護的特點，經(jīng)國外設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域多年的實踐證明，WSN技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢。

本文設(shè)計了一種基于WSN技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以WSN為核心技術(shù)，利用WSN布點靈活、自愈性強的特點，通過傳感器、檢測儀以及其他監(jiān)測檢測設(shè)備，對設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境理化指標（溫度、濕度、pH值、光合有效、氨氣、可吸入顆粒物等）進行精準監(jiān)測，并通過軟件系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)施與農(nóng)機設(shè)備的一體化監(jiān)控。本論文的主要研究工作包括系統(tǒng)方案設(shè)計、協(xié)議設(shè)計與算法設(shè)計。

二、系統(tǒng)設(shè)計

遵從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特征，本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)按照自下而上的順序可分為對象層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，共四層結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)各層次之間采用“下層對上層負責”的運行調(diào)度機制，也就是說位于系統(tǒng)體系下層的部件為上層應(yīng)用對象提供數(shù)據(jù)、通訊、服務(wù)以及其他支撐，上層對象調(diào)用下層部件的接口或者服務(wù)處理本級業(yè)務(wù)。下面結(jié)合圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，對各層次之間的功能及協(xié)作過程，做進一步說明。

1.對象層：由傳感器、機電設(shè)備、自控設(shè)備、檢測設(shè)備以及其他設(shè)施設(shè)備構(gòu)成，該層的主要作用是進行外部環(huán)境因子的感知與設(shè)備控制，為對象層提供數(shù)據(jù)采集服務(wù)。

2.感知層：主要由農(nóng)業(yè)WSN網(wǎng)絡(luò)專用設(shè)備構(gòu)成，包括采集/控制設(shè)備以及WSN路由器等，感知層是WSN的核心，其主要作用是通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3.網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián)網(wǎng)和運營商所提供的移動無線通信和互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其主要作用是為應(yīng)用層與感知層之間的通信提供公網(wǎng)傳輸服務(wù)。

4.應(yīng)用層：主要是指由農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理軟件和中間件構(gòu)成，其主要作用是實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測，健康狀態(tài)，風險評估，集中控制和配置管理功能。

三、協(xié)議設(shè)計

按照WSN網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標準規(guī)范，本系統(tǒng)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示：

協(xié)議棧的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括：物理層（PHY），媒體訪問層（MAC），網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用子層（APS）構(gòu)成，其中物理層和媒體訪問層定義了系統(tǒng)電氣特性和媒體訪問控制機制，該機制由IEEE802.15.4規(guī)范制定，應(yīng)用子層由產(chǎn)品廠家根據(jù)產(chǎn)品功能進行定義，所以，本系統(tǒng)協(xié)議棧的設(shè)計工作主要集中在網(wǎng)絡(luò)層。

在數(shù)據(jù)流向方面，網(wǎng)絡(luò)層承載了媒體訪問層與應(yīng)用子層之間的上行數(shù)據(jù)與下行數(shù)據(jù);在模塊構(gòu)成方面，包括安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理、傳輸管理、狀態(tài)機、數(shù)據(jù)鏈表和數(shù)據(jù)字典。在系統(tǒng)運行過程中，協(xié)議棧圍繞狀態(tài)機進行數(shù)據(jù)管理與調(diào)度運行。

上行數(shù)據(jù)經(jīng)由媒體訪問層進入網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層接入的數(shù)據(jù)鏈路進行安全核查后，經(jīng)由數(shù)據(jù)通道進入狀態(tài)機，狀態(tài)機根據(jù)輸入內(nèi)容“觸發(fā)”事件處理機制，根據(jù)當前系統(tǒng)上下文和輸入進行事件判定，對路由表、傳輸表、服務(wù)表和消息表進行維護更新。狀態(tài)機進行事件處理后，輸出消息或數(shù)據(jù)流，通知上層的應(yīng)用子層。反之亦然，由應(yīng)用子層輸入的下行數(shù)據(jù)，也將“觸發(fā)”狀態(tài)機進行事件響應(yīng)，狀態(tài)機進行常值與屬性表的維護，更新系統(tǒng)的配置狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)或消息通知到消息隊列，推送向MAC層。

四、系統(tǒng)流程設(shè)計

基于WSN技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)主流程是以建立或加入WSN網(wǎng)絡(luò)為核心進行設(shè)計，如圖3所示。

首先，在系統(tǒng)啟動階段，對于任意一臺WSN設(shè)備，都會進行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)字（包括：網(wǎng)絡(luò)ID、初始口令、網(wǎng)絡(luò)配置等）的初始化，并進行啟動自檢，準備加入WSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。其次，在加入WSN網(wǎng)絡(luò)階段，WSN設(shè)備會進行廣播與網(wǎng)絡(luò)偵聽，判斷在其當前通信范圍內(nèi)，是否存在可加入的WSN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。如果能夠收到網(wǎng)絡(luò)入網(wǎng)應(yīng)答，WSN設(shè)備之間將進行秘鑰交換與身份識別，注冊并加入到已有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。否則，將繼續(xù)廣播入網(wǎng)申請，直到其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。

最后，當完成系統(tǒng)啟動與入網(wǎng)過程，WSN設(shè)備將進入工作狀態(tài)，在工作狀態(tài)調(diào)度階段，如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)變更、脫網(wǎng)或掉電等情況，已入網(wǎng)設(shè)備將再次進入入網(wǎng)過程。

五、討論

WSN技術(shù)及其相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，屬于多學科交叉研究方向，本文只是作者對WSN技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用的研究，伴隨課題研究內(nèi)容的不斷深入，關(guān)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境因子的預(yù)測算法，WSN網(wǎng)絡(luò)能量最優(yōu)路由算法，農(nóng)業(yè)智能一體化管控系統(tǒng)等一系列課題，將逐一進行深入研討。

參考文獻：

[1]Ian F.Akyildiz. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2]曾園園.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2014.

[3]Wang Zhengxia， Xiao Laisheng. Modern Logistics Monitor

ing Platform Based on the Internet of Things[J]. International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation，2010，2（12）：726-727.

[4]Jara Antonio J， Zamora Miguel A， Skarmeta Antonio F G. An architecture based on Internet of Things to support mobility and security in medical environments [A]. Consumer Communications and Networking Conference （CCNC），2010 7th IEEE[C]. Las Vegas，NV：IEEE Communications Society，2010，7（1）：1-2.