基于无线传感器网络的葡萄生长环境测控系统设计与应用

李致远

摘要：本研究基于无线传感器网络（WSNs）技术开发了葡萄园生长环境测控系统，实现了对大气和土壤温湿度等信息的采集、传输和分析。该系统运用数据挖掘技术处理和分析传感器采集的数据，并通过不断修正得到适合葡萄园的灌溉阈值及群体光合效率最优条件，运用模糊控制原理控制电磁阀进行滴灌，以达到节能和增产保质的要求。

关键词：无线传感器网络（WSNs）；葡萄；生长环境；测控系统

中图分类号：S126 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2016）11-0146-03

Abstract The vineyard growth environment measure and control system was developed based on wireless sensor networks （WSNs） to realize the collection， communication and analysis of informations such as atmosphere， soil temperature and humidity. This system used data mining technique to process and analyze the data collected by sensors， and obtained the irrigation threshold of vineyard and the optimal conditions for population photosynthetic efficiency through continuously modifying. It also used fuzzy control principle to control the electromagnetic valve for drip irrigation to achieve the requirements of saving energy， improving yield and guaranteeing quality.

Keywords Wireless sensor networks； Grape； Growth environment； Measurement and control system

农业现场数据信息的及时获取是进行现代化精准管理的重要基础，如何快速、有效地获取农业现场各类数据成为目前信息农业研究的重要领域。农业具有对象多样、地域广阔、偏僻分散、远离都市社区、通信条件落后等特点，在很多情况下，农业数据信息的获取更加困难。贺兰山东麓以其独特的地理、气候和土壤优势，成为我国酿酒葡萄最佳种植区，是全国三大葡萄原产地域保护区之一，约有8万公顷土地适宜发展葡萄种植，已成为张裕、王朝、长城等国内知名葡萄酒公司的优质原料生产基地[1]。实时对生长环境数据进行监测和控制，可以实现葡萄的优质高产。

葡萄园的胚基水分、温湿度、日照度、CO2浓度都是影响葡萄生长和果实质量的重要环境因素[2]。本研究应用物联网技术，通过布控大气和土壤温湿度等传感器，利用2G无线网络传输数据，建立了酿酒葡萄园环境测控系统，根据葡萄的生长环境需要，实时获得环境数据并进行控制，对于提高酿酒葡萄及其葡萄酒质量具有重要意义。

1 葡萄生长环境测控系统架构及工作原理

1.1 系统架构

该系统由测控中心主机、无线传感器网络组成。无线传感器网络基于ZigBee协议[3，4]，由网络总节点、路由节点和各传感器节点组成[5]，负责采集葡萄园胚基温湿度等信息，并通过2G无线网络传输到测控中心主机。测控中心主机是整个系统的核心，主要任务是数据的存储、分析与管理，并根据数据分析结果及时调整对葡萄园的监测和管控。系统架构见图1。

1.2 工作原理

系统运行时，由中心测控主机通过2G无线网络发出数据采集信令[6]，网络总节点接到信令后，通过路由节点向下方传感器节点发送信息查询报文，传感器收到报文后，从睡眠状态切换到工作状态，开始采集数据，采集到的数据又通过路由节点发送到全网总节点，全网总节点收到数据后启动确认响应[7，8]，而传感器节点进入睡眠状态，等待下一次采集数据报文；同时全网总节点把接收到的数据通过2G网络发送到测控中心主机，至此就完成了一轮数据的采集过程。

2 系统硬件设计

2.1 无线传感器网络设计

2.1.1 传感器节点设计 基于IEEE802.15.4标准构建了无线传感器网络，故传感器节点硬件设备应支持ZigBee底层协议[4]。传统的传感器节点由微处理器、传感器模块、无线收发器和电源模块组成，但随着芯片技术的发展，集微处理器、传感器模块和无线收发模块于一体的集成片上系统（SOC）芯片已经研制成功并已投入量产。SOC芯片体积小、可靠性高、易于上层设计、成本低、运行速度快且功耗低，故本系统传感器节点采用支持温度和湿度同时测量并可将模拟信号转换为数字信号的SOC芯片[9]。由于葡萄种植园多处于南北纬38～53°的温带地区，太阳有效辐射量较高，故采用太阳能电池作为电源，以节约能源，实现可持续发展的目的。

2.1.2 路由节点设计 路由节点的作用是连接全网总节点和下层的各个传感器节点，并且为拓扑关系里各上下层节点的数据传输选择相应的链路[11]，从而提高传输速度，减轻网络系统冗余负荷，故与传感器节点相比，路由节点只需微处理器与无线收发器适配即可实现。电源模块依旧采用传统的太阳能电池。

2.1.3 网络总节点设计 网络总节点用于接收传感器节点的信息，并传给测控中心主机，具有一定的运算和分析处理性能。本系统网络总节点采用高通公司（Qualcomm）的“骁龙”处理器，其体积小，运行速率快，并有较多的接口扩展功能[12]。网络总节点还包括一个无线收发芯片和一个2G通信芯片，以实现对路由节点和测控中心主机的数据收发功能。采用的2G通信芯片具有抗干扰性强、传输速率快、支持多数据库、环境适应性强等优点，并通过RS-232串口与处理器相连，从而获得更高的通信速率。为方便数据存储和移动，设计采用USB接口的数据存储方式，实现操作便捷、降低成本的目的。供电模块仍采用太阳能电池，可同时对网络节点的所有模块进行供电。网络总节点结构如图2所示。

2.2 测控中心主机设计

测控中心负责收集来自全网总节点的数据并进行解析和储存，包括中心主机与2G网络的连接和数据处理软件的应用。测控中心主机通过分配指定的IP地址使用DDN专线与2G网络相连[5-8]。DDN专线可带来较高的带宽，能够满足葡萄园数据测控点增量传输的频谱需求。网络总节点收集的数据经2G模块解码并转换成在公共网络传输的数据格式，最终传输到测控中心主机。由于传感器节点采集数据的频点和体量不大，耗费的2G流量并不多，因此，利用2G网络传输数据，无需考虑建立专网的高昂成本，只需一次性投资2G模块及少量的2G信息费即可实现实时在线、快捷高效的数据传输；而且2G技术已十分成熟，拥有完善的容错机制，传输稳定性有保障。

3 应用软件设计

该系统的应用软件包括数据的监控、管理和解析软件。因测控中心与葡萄园有一定距离，软件设计采用Browser/Server体系结构，利用C++编程，设计监听绑定端口程序，该程序在鉴权客户端接收网络总节点发出的链接请求后，下载数据并根据软件协议完成自定义解析。采用开源的关系数据库管理系统存储收到的数据。在主机监控界面能够实现历史数据遍历、实时数据分析、预警状态上报等功能。

鉴于测控中心主机与2G网络通信容易实现，故主机的软件设计重心在于自身测控功能的模拟与应用。其运行程序设计如图3。

4 应用试验

将本文设计的无线葡萄生长环境测控系统于2015年在贺兰山东麓的8公顷葡萄种植园中进行应用试验。由于传感器价格高昂，为了保证整个试验区域都在测控范围内，试验过程中，每666.7m2安装一套传感器，包括大气和土壤温、湿度传感器、土壤电导率传感器、光照传感器、CO2传感器和茎直径变化测量传感器，传感器的监测范围是以节点为中心的圆，相邻小区传感器覆盖范围相接。

试验结果表明，该系统有效提升了葡萄园的测控效率，每666.7m2产量提高22%，对比成本降低16%（按照系统损耗5年计算）。

5 小结

本文通过设计实现了基于无线传感器网络（WSNs）技术的葡萄园生长环境测控系统，该系统充分利用无线传感器网络和传感器技术对葡萄园的大气和土壤温湿度等信息进行采集、传输和分析，实时监测葡萄生长的土壤和气候环境，并根据葡萄生长的适宜环境条件进行调节，以获得高产优质的葡萄。在贺兰山东麓8公顷葡萄园中的应用试验结果表明，该系统的测控效率较高，其应用可使每666.7m2葡萄产量提高22%，对比成本降低16%（按照系统损耗5年计算），说明该系统具有良好的应用效果，为酿酒葡萄的优质高产提供了保障。

参 考 文 献：

[1] 宁夏回族自治区人民政府.贺兰山东麓葡萄酒原产地域保护管理办法[Z]. 2004.

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