0、引言
科技發展的腳步越來越快,人類已經置身于信息時代。作為信息獲取的一項重要技術—傳感器網絡技術,得到了極大的發展。傳感器網絡信息獲取技術已經從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網絡化方向發展,并將會帶來一場信息革命。無線傳感器網絡在環境監測方面有著很廣闊的應用,從 Wireless Sensor Network\\(WSN\\)的工作原理和多種優點來看,非常適合用于農田環境信息的獲取。
針對農田環境特有的一些環境參數,本研究開發了一個基于無線傳感器網絡的農田環境信息監測平臺,結合無線傳感器網絡和GPRS網絡,采用Socket通信編程技術和C#網頁編程技術,實現了對采集數據的接收存儲功能,并將監測結果以圖表形式展示給用戶。
1、無線傳感器網絡概述
WSN是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點組成,是一個通過無線通信方式形成的多跳自組織網絡。無線傳感器網絡技術綜合了許多先進技術,如微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術及分布式信息處理技術等。它能夠實時感知、監測和采集網絡覆蓋區域內的各種環境或者監測對象的信息,并對其進行處理,將處理后的信息通過無線方式發送,并以自組多跳的網絡方式傳送給觀測者。無線傳感器網絡體系結構如圖1所示。傳感器節點\\(也叫終端節點\\)和匯聚節點\\(也叫網關節點\\)是兩個重!要部分。大量的傳感器節點分布于監測區域內,自組織構成網絡,通過臨近的傳感器節點將監測數據進行逐跳地傳輸,監測數據在傳輸過程中經過多個傳感器節點處理,經多跳后路由到網關節點,網關節點將數據打包,經由互聯網、衛星等通信方式傳輸到服務器;用戶可以通過訪問互聯網對監測區域的節點數據進行查詢,系統管理員也可以對數據進行管理操作。
無線傳感器網絡節點是組成無線傳感器網絡的基本元素,節點基本上是由數據采集模塊、處理器模塊、無線通信模塊及能源供應模塊組成。每個節點包含一個或多個傳感器、嵌人式處理器、低功率雷達以及供電電池。通過傳感器模塊獲得農田環境參數數據信息,經模數轉換器\\(AD/DC\\)轉換成數字形式,傳給處理器模塊。處理器模塊一般與存儲部件緊密結合,根據從數據采集模塊和無線通信模塊傳送過來的數據完成數據融合、節點定位等各種計算功能。無線通信模塊負責該節點與其他節點或者網絡代理等設備之間的無線通信,即無線信號的收發功能,一般是整個結構中耗能最大的部分,低能耗是主要的設計目標之一。能量供應模塊在無線傳感器節點中至關重要,它為傳感器節點各部件提供能量。本研究應用于農田環境信息監測的傳感器節點主要利用太陽能供電來維持節點的正常運轉。
農田環境信息監測平臺是對實時的農田環境狀況和歷史趨勢的反映,是通過互聯網發布數據并提供數據共享的一個平臺,是一個具有動態性、開放性以及共享性的數據服務系統,可以為農田環境質量評估提供數據來源,為農業物聯網研究領域的交流活動提供資料平臺,為農田生產管理以及灌溉決策提供參考依據。對于采集到的環境信息,只有通過友好、清晰的界面進行直觀的顯示,供用戶進行實時查詢和統計分析等操作才有意義。將無線傳感器網絡技術、GPRS技術和網絡技術結合起來,為信息監測平臺提供動態數據源,把田間環境信息實時采集,形成一個可視化的數據平臺,為用戶提供多種農業信息服務;進而對田間數據進行實時監測與統計分析,為農田生產管理以及灌溉決策提供參考依據。農田環境信息監測平臺一般包括以下功能,如圖2所示。
無線傳感器網絡具有大規模、自組織、動態性、可靠和以數據為中心等特點,信息監測平臺具有動態性、開放性和共享性的特點,二者結合形成的系統非常適合應用于農田環境信息監測。
2、平臺軟件設計
2.1數據接收部分
本研究采用Comway WG-8010 GPRSDTU \\(Data Terminal Unit,數據終端設備\\)與匯聚節點通過標準RS232數據接口連接來實現數據的發送工作。DTU有內置GPRS無線模塊,封裝了協議棧內容并且具有嵌入式操作系統,硬件上可以看作是嵌入式PC加無線接入部分的結合。DTU與硬件節點相連組成了客戶端,便可以通過GPRS無線網絡與服務器端建立連接,實現數據的透明傳輸。
數據接收部分采用Socket通信編程技術,在visual studio 2008 中使用C#語言編寫的控制臺應用程序來實現。Socket提供了一個發送消息的接口,使用這個接口提供的方法來發送與接收消息。根據連接啟動的方式以及本地套接字要連接的目標,套接字之間的連接過程可以分為3個步驟:服務器監聽、客戶端請求及連接確認。編程中還用到了多線程編程技術,接收存儲流程如圖3所示。服務器端利用Socket函數建立一個新的套接字,與服務器的固定IP和具體的一個端口綁定,listen函數監聽是否有客戶端發來連接請求?？蛻舳艘膊捎肧ocket原理,即GPRSDTU模塊\\(即DTU端,GPRS-DTU終端獲得的IP地址是GSM網絡運營商隨機分配的其內網IP地址\\)通過GPRS網絡發出連接請求。當服務器監聽到客戶端\\(即DTU端\\)的連接請求便建立連接,返回新套接字,采用返回的新套接字接收客戶端傳來的數據,接著將相應的數據存儲到服務器數據庫相應的表中。最后,若連接斷開,則關閉套接字,結束當前線程,若仍然連接,則繼續接收數據。
為了維持雙方的通信,采取設置GPRS-DTU定時向服務器端發送心跳數據包的方法,從而保持NAT端口映射,使DTU不掉線,時刻與服務器端保持連接,保證節點傳輸數據的連貫性。此外,通過Socket發送信息,必須要先把發送的信息轉化成二進字進行傳輸,收到信息后也要把收到的二進字信息轉化成字符形式,接收代碼是通過Encoding.ASCII.Get Bytes\\(\\)函數和Encoding.ASCII.Get String\\(\\)函數來實現的。
2.2數據存儲部分
上述接收程序得到的信息包括傳感器節點編號、空氣溫/濕度、土壤溫/濕度、光照強度、CO2濃度和采集日期,將數據解析后用Encoding.ASCII. Get String方法轉換成ASCII碼,再將其轉換成整型的十進制數,采用insert…into語句存入數據庫。本研究使用的工具是SQL Server2005,建立一個soil monitor數據庫,存儲數據的表格形式如表1所示。
同時,存儲數據的表為農田環境信息平臺提供了動態數據源,平臺的數據都來自服務器的數據庫—soil-monitor。
2.3網站界面設計
設計采用ASP.NET網頁技術,通過Visual Studio2008開發工具和C#語言開發網頁,可對節點上傳的數據進行查詢并以圖形圖表的形式展示。用戶可通過瀏覽器訪問網站,進行對農田環境監測數據的查詢,將查詢的結果以圖表和表格的形式顯示出來;圖表查詢用到了圖表控件\\(MSChart\\),它可以按照一定的規范將數據以圖表的形式繪制出來。其繪制的數據源可以是動態數據,也可以是存儲數據中數據庫中的數據、電子表格的數據等存儲介質的數據,本設計將存儲于數據庫中的數據作為數據源。表格查詢使用Vs2008自帶的gridview控件,只要將數據庫中的數據存儲表格與gridview控件綁定,就可以以數據表格的形式顯示數據。同時,還對網站做了后臺數據管理設計,設置管理員權限,可以對農田環境數據進行管理更新等操作。后臺數據管理界面如圖4所示。
3、平臺測試
3.1部署方案
在山東博興縣興福鎮龍升第二農場部屬示范,于小麥田中放置10個傳感器節點,節點之間間隔較遠,農場工作站布置1個匯聚節點,置于工作站屋頂,以保證信號的良好傳輸。其中,空氣溫濕度傳感器集成在傳感器節點上,土壤溫濕度傳感器插入土壤約10cm,通過電纜接至傳感器節點;將三腳架固定于田間,節點固定于三腳架頂部,離地面約1.5m。傳感器節點每隔30min進行1次數據采集,完成1次采集和發送后,自動進入休眠狀態,直至下1次采樣時刻喚醒。
3.2測試結果
經過試驗部署并調試,試驗從2013年5月持續至今,節點正常工作,服務器端連續接收到采集數據,整個系統能正常穩定工作,實現了對農田環境信息如土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等信息的實時采集,使用戶能夠上網查詢到監測數據。圖表模式直觀形象,表格模式詳細而且具體?？傊?通過這個平臺,用戶可以及時了解農田環境監測信息,管理者也能夠通過后臺登錄對數據進行管理操作。服務器端控制臺界面如圖5所示。
農田環境信息監測結果查詢結果如圖6和圖7所示。
4、結論
開發了一個無線傳感器網絡農田環境信息監測管理平臺,基于Visual Studio 2008平臺和C#語言,結合SQL Server2005數據庫,實現了對無線傳感器網絡監測的農田環境信息數據的接收、存儲、顯示功能,使用戶通過瀏覽網頁便能及時了解農田環境信息。無線傳感器網絡在現代農業中有很廣闊的應用,應用于農田環境信息監測是一個很好的選擇。及時準確地獲取農田環境信息,可以對現代農業生產實施合理的管理,促進農業快速、高效、可持續發展。
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