基于无线传感器网络的农田环境信息监测平台

　　0、引言

　　科技发展的脚步越来越快,人类已经置身于信息时代。作为信息获取的一项重要技术—传感器网络技术,得到了极大的发展。传感器网络信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展,并将会带来一场信息革命。无线传感器网络在环境监测方面有着很广阔的应用,从 Wireless Sensor Network(WSN)的工作原理和多种优点来看,非常适合用于农田环境信息的获取。

　　针对农田环境特有的一些环境参数,本研究开发了一个基于无线传感器网络的农田环境信息监测平台,结合无线传感器网络和GPRS网络,采用Socket通信编程技术和C#网页编程技术,实现了对采集数据的接收存储功能,并将监测结果以图表形式展示给用户。

　　1、无线传感器网络概述

　　WSN是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成,是一个通过无线通信方式形成的多跳自组织网络。无线传感器网络技术综合了许多先进技术,如微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术及分布式信息处理技术等。它能够实时感知、监测和采集网络覆盖区域内的各种环境或者监测对象的信息,并对其进行处理,将处理后的信息通过无线方式发送,并以自组多跳的网络方式传送给观测者。无线传感器网络体系结构如图1所示。传感器节点(也叫终端节点)和汇聚节点(也叫网关节点)是两个重!要部分。大量的传感器节点分布于监测区域内,自组织构成网络,通过临近的传感器节点将监测数据进行逐跳地传输,监测数据在传输过程中经过多个传感器节点处理,经多跳后路由到网关节点,网关节点将数据打包,经由互联网、卫星等通信方式传输到服务器;用户可以通过访问互联网对监测区域的节点数据进行查询,系统管理员也可以对数据进行管理操作。

　　无线传感器网络节点是组成无线传感器网络的基本元素,节点基本上是由数据采集模块、处理器模块、无线通信模块及能源供应模块组成。每个节点包含一个或多个传感器、嵌人式处理器、低功率雷达以及供电电池。通过传感器模块获得农田环境参数数据信息,经模数转换器(AD/DC)转换成数字形式,传给处理器模块。处理器模块一般与存储部件紧密结合,根据从数据采集模块和无线通信模块传送过来的数据完成数据融合、节点定位等各种计算功能。无线通信模块负责该节点与其他节点或者网络代理等设备之间的无线通信,即无线信号的收发功能,一般是整个结构中耗能最大的部分,低能耗是主要的设计目标之一。能量供应模块在无线传感器节点中至关重要,它为传感器节点各部件提供能量。本研究应用于农田环境信息监测的传感器节点主要利用太阳能供电来维持节点的正常运转。

　　农田环境信息监测平台是对实时的农田环境状况和历史趋势的反映,是通过互联网发布数据并提供数据共享的一个平台,是一个具有动态性、开放性以及共享性的数据服务系统,可以为农田环境质量评估提供数据来源,为农业物联网研究领域的交流活动提供资料平台,为农田生产管理以及灌溉决策提供参考依据。对于采集到的环境信息,只有通过友好、清晰的界面进行直观的显示,供用户进行实时查询和统计分析等操作才有意义。将无线传感器网络技术、GPRS技术和网络技术结合起来,为信息监测平台提供动态数据源,把田间环境信息实时采集,形成一个可视化的数据平台,为用户提供多种农业信息服务;进而对田间数据进行实时监测与统计分析,为农田生产管理以及灌溉决策提供参考依据。农田环境信息监测平台一般包括以下功能,如图2所示。

　　无线传感器网络具有大规模、自组织、动态性、可靠和以数据为中心等特点,信息监测平台具有动态性、开放性和共享性的特点,二者结合形成的系统非常适合应用于农田环境信息监测。

　　2、平台软件设计

　　2.1数据接收部分

　　本研究采用Comway WG-8010 GPRSDTU (Data Terminal Unit,数据终端设备)与汇聚节点通过标准RS232数据接口连接来实现数据的发送工作。DTU有内置GPRS无线模块,封装了协议栈内容并且具有嵌入式操作系统,硬件上可以看作是嵌入式PC加无线接入部分的结合。DTU与硬件节点相连组成了客户端,便可以通过GPRS无线网络与服务器端建立连接,实现数据的透明传输。

　　数据接收部分采用Socket通信编程技术,在visual studio 2008 中使用C#语言编写的控制台应用程序来实现。Socket提供了一个发送消息的接口,使用这个接口提供的方法来发送与接收消息。根据连接启动的方式以及本地套接字要连接的目标,套接字之间的连接过程可以分为3个步骤:服务器监听、客户端请求及连接确认。编程中还用到了多线程编程技术,接收存储流程如图3所示。服务器端利用Socket函数建立一个新的套接字,与服务器的固定IP和具体的一个端口绑定,listen函数监听是否有客户端发来连接请求。客户端也采用Socket原理,即GPRSDTU模块(即DTU端,GPRS-DTU终端获得的IP地址是GSM网络运营商随机分配的其内网IP地址)通过GPRS网络发出连接请求。当服务器监听到客户端(即DTU端)的连接请求便建立连接,返回新套接字,采用返回的新套接字接收客户端传来的数据,接着将相应的数据存储到服务器数据库相应的表中。最后,若连接断开,则关闭套接字,结束当前线程,若仍然连接,则继续接收数据。

　　为了维持双方的通信,采取设置GPRS-DTU定时向服务器端发送心跳数据包的方法,从而保持NAT端口映射,使DTU不掉线,时刻与服务器端保持连接,保证节点传输数据的连贯性。此外,通过Socket发送信息,必须要先把发送的信息转化成二进字进行传输,收到信息后也要把收到的二进字信息转化成字符形式,接收代码是通过Encoding.ASCII.Get Bytes()函数和Encoding.ASCII.Get String()函数来实现的。

　　2.2数据存储部分

　　上述接收程序得到的信息包括传感器节点编号、空气温/湿度、土壤温/湿度、光照强度、CO2浓度和采集日期,将数据解析后用Encoding.ASCII. Get String方法转换成ASCII码,再将其转换成整型的十进制数,采用insert…into语句存入数据库。本研究使用的工具是SQL Server2005,建立一个soil monitor数据库,存储数据的表格形式如表1所示。

　　同时,存储数据的表为农田环境信息平台提供了动态数据源,平台的数据都来自服务器的数据库—soil-monitor。

　　2.3网站界面设计

　　设计采用ASP.NET网页技术,通过Visual Studio2008开发工具和C#语言开发网页,可对节点上传的数据进行查询并以图形图表的形式展示。用户可通过浏览器访问网站,进行对农田环境监测数据的查询,将查询的结果以图表和表格的形式显示出来;图表查询用到了图表控件(MSChart),它可以按照一定的规范将数据以图表的形式绘制出来。其绘制的数据源可以是动态数据,也可以是存储数据中数据库中的数据、电子表格的数据等存储介质的数据,本设计将存储于数据库中的数据作为数据源。表格查询使用Vs2008自带的gridview控件,只要将数据库中的数据存储表格与gridview控件绑定,就可以以数据表格的形式显示数据。同时,还对网站做了后台数据管理设计,设置管理员权限,可以对农田环境数据进行管理更新等操作。后台数据管理界面如图4所示。

　　3、平台测试

　　3.1部署方案

　　在山东博兴县兴福镇龙升第二农场部属示范,于小麦田中放置10个传感器节点,节点之间间隔较远,农场工作站布置1个汇聚节点,置于工作站屋顶,以保证信号的良好传输。其中,空气温湿度传感器集成在传感器节点上,土壤温湿度传感器插入土壤约10cm,通过电缆接至传感器节点;将三脚架固定于田间,节点固定于三脚架顶部,离地面约1.5m。传感器节点每隔30min进行1次数据采集,完成1次采集和发送后,自动进入休眠状态,直至下1次采样时刻唤醒。

　　3.2测试结果

　　经过试验部署并调试,试验从2013年5月持续至今,节点正常工作,服务器端连续接收到采集数据,整个系统能正常稳定工作,实现了对农田环境信息如土壤温湿度、空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等信息的实时采集,使用户能够上网查询到监测数据。图表模式直观形象,表格模式详细而且具体。总之,通过这个平台,用户可以及时了解农田环境监测信息,管理者也能够通过后台登录对数据进行管理操作。服务器端控制台界面如图5所示。

　　农田环境信息监测结果查询结果如图6和图7所示。

　　4、结论

　　开发了一个无线传感器网络农田环境信息监测管理平台,基于Visual Studio 2008平台和C#语言,结合SQL Server2005数据库,实现了对无线传感器网络监测的农田环境信息数据的接收、存储、显示功能,使用户通过浏览网页便能及时了解农田环境信息。无线传感器网络在现代农业中有很广阔的应用,应用于农田环境信息监测是一个很好的选择。及时准确地获取农田环境信息,可以对现代农业生产实施合理的管理,促进农业快速、高效、可持续发展。

　　参考文献:
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