论文部分内容阅读
摘 要： 针对农产品引种移植的实际需求，设计以无线传感器网络为基础的农作物区域环境信息无线监测网络，结合3G通信技术，实现对农作物生长环境的实时远程监测，并以此为基础，提出基于事件驱动的反馈调度策略，解决传感器能耗的问题。同时，使用WebService方式解决系统多平台数据调用存储的问题。文中的方法为最终的农产品引种决策提供一种有效的解决方案。
关键词： 无线传感器；反馈调度；web服务；精细农业
0 引言
农业信息化和智能化已经成为当前中国新农村建设的主要建设内容和重点扶持项目。通过应用物联网等现代信息技术可以实现精细农业，从而加速传统农业的改造，提高农业生产效率和生产水平。作为物联网核心技术的无线传感器网络，凭借其低成本、低功耗、自组网等优势实现了对农作物的智能监控和管理；同时，各种电子标签和无线射频技术的应用，也使农产品的可靠溯源成为可能。
文中在对现有农业环境监测系统和无线传感器网络充分研究的基础上，针对农产品引种移植的实际需求，设计以无线传感器网络技术为基础的农作物区域环境信息无线监测网络，结合3G通信技术，实现对农作物生长环境的实时远程监测及数据采集，并以此为基础，为最终的农产品引种决策提供了一种有效的解决方案。
1 系统设计
1.1 总体框架
基于物联网技术农产品移植决策系统以引进的优质农产品为研究对象，以种植环节——加工环节——销售环节为基本模式，从种植环节、加工环节和消费者的不同角度设计该系统，系统包含四个子系统，其框架如图1。
果园操作人员对大棚内作物进行喷洒农药、扦插、剪枝、采摘等操作都将通过手持PDA终端进行登记，并将操作记录发送中心服务器保存。平板子系统显示定时采集的现场传感器数据，并记录存储超过警戒上下限的值，然后并将这些数据及时发送至数据库保存。种植户借助C/S生产管理子系统了解大棚实时环境参数和视频监控画面，也可以通过该模块设置大棚环境参数限值，控制大棚设备的开合。在大棚开始种植作物之前就给整个大棚的作物分配一个唯一的二维码，作为今后田间操作、加工、流通等环节的追溯码，当大棚更换另一移植作物时重新给其分配另一个编码。加工场操作员对进/出场的农产品进行登记，也可以查询历史信息、编辑进/出场信息和删除进/出场信息，并对即将出场的农产品进行登记后生成一个可用于追溯的条码；每一来批发农产品的商户凭卡购买出场的农产品，该模块主要用来向这些商户发卡。B/S子系统提供了消费者进行产品溯源和评价、提供其它种植户进行农业知识及病虫害防治指导、种植户管理者进行种植环境数据分析及大棚管理等功能。
1.2 系统结构设计
系统中需要用到ZigBee、多种传感器和继电器、平板电脑、PC客户端、PDA、数据库服务器等多种设备，这些设备运行平台各不一样，相互之间需要数据交换。为了实现跨平台访问，对数据库的所有操作都通过WebService来实现，这样系统安全性可靠性较好。
种植环节的设备处于一个无线局域网中，系统可以让用户远程通过PC客户端实时控制现场设备，这里使用路由器进行端口映射来实现访问控制。平板电脑在整个架构中起到一个通信网关的作用，一方面把现场采集到的数据通过3G模块或者Wifi模块发送到后台数据库；一方面接受PC客户端发送过来的控制命令，并根据通信协议进行解析，实现不同的操作。
2 关键技术
2.1 传感器网络选择
物联网一个重要技术是无线传感网络技术。目前无线网络技术主要有六种[1]：蓝牙、无线局域网（WiFi）、超宽带通信、近场通信、ZigBee和红外数据通信IrDA技术。但蓝牙技术成本高、节点功耗大；WiFi成本高、功耗大安全性能低；红外光线易受遮挡；超宽带通信（UWB）主要的应用是在视频消费娱乐方面的无线个人局域网；近场通信（NFC）主要应用于遥控识别和网络技术的合并。因此，为更好地组织与管理系统中传感器节点，ZigBee网络以其经济可靠高效等优点就成为了本文实现传感器互联的网络通信方式。
文中采用TI公司最新一代ZigBee标准芯片CC2530，并使用长高科技的DMA210XP系统作为传感器控制平台及ZigBee协调器。DMA210XP系统在这里充当网络通信网关的作用，借助该系统中的3G模块，可以实现传感器网络与互联网的连接，从而实现用户的远程访问。如图2所示。
2.2 无线传感器网络传输调度方案
无线传感器网络系统会受到时变传输延时、丢包、网络传输、抖动等不利网络属性的严重影响[2]。从通信角度讲，这些不利因素都与网络带宽（负载）密切相关。因此，必须减少分布在大棚内的大量传感器节点的带宽要求，这可通过降低采样频率来实现[3]。然而，根据香农采样定理[4]可知，采样频率应根据监控对象的特点确定，低的采样频率虽然可以提高网络服务质量，但也容易造成网络利用率不足，网络带宽浪费。最终，文中提出了一种基于事件驱动的反馈调度策略[5]。
T（k）、Mir、δi、Ei（k）和Mi分别表示调度周期、截止期错失率参考值、传感器节点i监测的限定值、截止期错失率误差和实际截止期错失率。
系统运行过程中，PID控制器以T（k）为时间触发周期重复执行。但较大的T（k）虽然可以减少Mi，但也易造成较大的超调量、较长的稳定时间和振荡；较小的T（k）虽然可以提高网络的响应速度，又容易造成错失率增大，调节精度下降。因此设计了时间触发与事件触发相结合的机制，设定事件监测条件：|Ei（k）|≥δi。节点i在第k个调度周期内的调度如图4所示：
其中：Ni（k）为传感器节点i发送数据过程中错失截止期的事务个数，当系统在两个采样周期间隔内未收到数据，那么让Ni（k）加1。
通过如上的调度分析，反馈调度器不需要每次都执行Mi（k）和Ei（k），只有在设定的监测条件不成立时才会再次执行。因此，这可有效地减少系统资源的消耗。在保证Mi（k）计算精度的前提下可以选择较小的T（k），降低了T（k）的选择难度，从而一定程度上提高了网络的响应速度。 2.3 WebService接口开发
考虑到系统使用到多种传感器、继电器、平板电脑、RFID读写器、摄像头、服务器、PC终端和移动PDA终端，这些设备系统运行在不同的平台，为实现不同系统的数据存储，引入后的应用系统的体系结构如图5所示：
主要Web服务文件：
WS_Table.asmx：主要用来做系统的报表处理。主要包含Web端应用的获取传感器的历史数据并将其作为与用户评价关系的依据的两个方法：GetSensorHistoryData（）和recValueW
IthEva（）；PC客户端的获取每个大棚传感器实时数据GetSenso
rTemporary（）方法。
WS_Device.asmx：主要用来对一些数据采集硬件设备的处理。PDA端主要含登记操作信息的方法：AddPlantInfo（）。平板Android端主要含采集传感器数据的方法：AddSensorData
（）；Android温湿度上下限等配置信息的方法：AddAndroidCfg
（）；获取继电器开关状态的方法：GetRelayState（）。销售环节溯源称添加销售记录的方法：AddTradeInfo（）。
WS_EnterRegister.asmx：主要用在农产品进加工场处理环节。主要包含添加入场检疫登记的方法：AddEnterRegister
（）；查询与删除入场信息的方法：GetEnterRegisterInfoByT
RaceCode（）和DelleteEnterRegister（）。
WS_ExitRegister.asmx：主要用在农产品出场处理环节。主要包含出场检疫登记方法：AddExitRegister（）；查询与删除出场信息的方法：GetExitRegisterInfoByExitID（）和DeleteExitRegisterByExitID（）。
3 系统实现
3.1 系统任务调度数据结构设计
传感器节点采集数据事务生成后放入事务队列中，队列采用链表的结构来实现[6]：
3.2 系统实现主要界面
本系统主要以.net为开发平台，以C#为开发语言；平板android系统采用java语言在Eclipse平台开发。
3.2.1 监控界面。在该界面中使用者可以监视种植以及加工环节的视频画面，并根据需要进行抓拍保存，也可以设置种植现场的环境变量参数，通过曲线图也可以查看现场实时环境参数值的变化趋势，根据需要做出手动控制。如图6：
3.2.2 加工场入场/出场登记界面。在该界面中，用户可以进行农场品出入场检疫登记、查询等操作。批次信息和入场信息可以采用读取RFID标签的方式自动填写。如图7：
3.2.3 Web系统界面。用户借助该平台可以进行农产品溯源和获取种植知识和病虫害防治解决方案，也可以对所购买的产品进行评价，这些评价信息将作为将来种植环境调整的重要参数。如图8：
3.2.4 后台处理界面（环境与售后分析）。种植互借助该平台可以进行大棚信息管理、如何查看种植信息汇总、进行环境数据分析和查看用户评价与柱状分析图。这些图表将作为用户改善种植环境、提高农产品质量的重要依据。如图9：
4 结论
系统中通过无线传感器网络的选择，解决了种植环节数据传递的难题。同时，采用了基于事件驱动的无线传感器调度方案，有效减低了传感器的能耗问题。借助该系统，可以实现农产品从种植、加工到销售的整个完整流程的信息采集和处理；实现了用户的评价与该批次农产品的成长环境参数的比较综合，它将作为种植户完善种植条件、提高产品质量的决策依据，为最终实现优质农产品的引种移植提供了一个有效的解决方案。
参考文献：
[1]瞿雷编著，ZigBee技术及应用，北京航空航天大学出版社，2007.
[2]Rezgui A， Ehoweissy M.Service—oriented sensor—actuator networks： promises，challenges，and the road ahead[J].Computer Communications，2007，
30（13）：2627—2648.
[3]Colandairaj J， Irwin G W， Scanlon W G. Wireless networked control systems with QoS—based sampling[J].IET Control Theory and Applications，2007，1（1）：430—438.
[4]Abdul， J.Jerri.The Shannon Sampling theorem—Its Various extension and applications： Altutoral review. Proc.of the IEEE， Vol66，NO.11，Nov，1977.
[5]韩安太、郭小华、孙延伟，温室无线传感器网络监控系统的事件驱动调度器，农业机械学报，2010.7 Vol41，No.7.
[6]郭里城，基于反馈控制的实时数据库事务调度研究[D].江苏：江苏大学计算机科学与通信工程学院，2008.
作者简介：
郭里城（1979—），男，福建漳州人，硕士，助教。
关键词： 无线传感器；反馈调度；web服务；精细农业
0 引言
农业信息化和智能化已经成为当前中国新农村建设的主要建设内容和重点扶持项目。通过应用物联网等现代信息技术可以实现精细农业，从而加速传统农业的改造，提高农业生产效率和生产水平。作为物联网核心技术的无线传感器网络，凭借其低成本、低功耗、自组网等优势实现了对农作物的智能监控和管理；同时，各种电子标签和无线射频技术的应用，也使农产品的可靠溯源成为可能。
文中在对现有农业环境监测系统和无线传感器网络充分研究的基础上，针对农产品引种移植的实际需求，设计以无线传感器网络技术为基础的农作物区域环境信息无线监测网络，结合3G通信技术，实现对农作物生长环境的实时远程监测及数据采集，并以此为基础，为最终的农产品引种决策提供了一种有效的解决方案。
1 系统设计
1.1 总体框架
基于物联网技术农产品移植决策系统以引进的优质农产品为研究对象，以种植环节——加工环节——销售环节为基本模式，从种植环节、加工环节和消费者的不同角度设计该系统，系统包含四个子系统，其框架如图1。
果园操作人员对大棚内作物进行喷洒农药、扦插、剪枝、采摘等操作都将通过手持PDA终端进行登记，并将操作记录发送中心服务器保存。平板子系统显示定时采集的现场传感器数据，并记录存储超过警戒上下限的值，然后并将这些数据及时发送至数据库保存。种植户借助C/S生产管理子系统了解大棚实时环境参数和视频监控画面，也可以通过该模块设置大棚环境参数限值，控制大棚设备的开合。在大棚开始种植作物之前就给整个大棚的作物分配一个唯一的二维码，作为今后田间操作、加工、流通等环节的追溯码，当大棚更换另一移植作物时重新给其分配另一个编码。加工场操作员对进/出场的农产品进行登记，也可以查询历史信息、编辑进/出场信息和删除进/出场信息，并对即将出场的农产品进行登记后生成一个可用于追溯的条码；每一来批发农产品的商户凭卡购买出场的农产品，该模块主要用来向这些商户发卡。B/S子系统提供了消费者进行产品溯源和评价、提供其它种植户进行农业知识及病虫害防治指导、种植户管理者进行种植环境数据分析及大棚管理等功能。
1.2 系统结构设计
系统中需要用到ZigBee、多种传感器和继电器、平板电脑、PC客户端、PDA、数据库服务器等多种设备，这些设备运行平台各不一样，相互之间需要数据交换。为了实现跨平台访问，对数据库的所有操作都通过WebService来实现，这样系统安全性可靠性较好。
种植环节的设备处于一个无线局域网中，系统可以让用户远程通过PC客户端实时控制现场设备，这里使用路由器进行端口映射来实现访问控制。平板电脑在整个架构中起到一个通信网关的作用，一方面把现场采集到的数据通过3G模块或者Wifi模块发送到后台数据库；一方面接受PC客户端发送过来的控制命令，并根据通信协议进行解析，实现不同的操作。
2 关键技术
2.1 传感器网络选择
物联网一个重要技术是无线传感网络技术。目前无线网络技术主要有六种[1]：蓝牙、无线局域网（WiFi）、超宽带通信、近场通信、ZigBee和红外数据通信IrDA技术。但蓝牙技术成本高、节点功耗大；WiFi成本高、功耗大安全性能低；红外光线易受遮挡；超宽带通信（UWB）主要的应用是在视频消费娱乐方面的无线个人局域网；近场通信（NFC）主要应用于遥控识别和网络技术的合并。因此，为更好地组织与管理系统中传感器节点，ZigBee网络以其经济可靠高效等优点就成为了本文实现传感器互联的网络通信方式。
文中采用TI公司最新一代ZigBee标准芯片CC2530，并使用长高科技的DMA210XP系统作为传感器控制平台及ZigBee协调器。DMA210XP系统在这里充当网络通信网关的作用，借助该系统中的3G模块，可以实现传感器网络与互联网的连接，从而实现用户的远程访问。如图2所示。
2.2 无线传感器网络传输调度方案
无线传感器网络系统会受到时变传输延时、丢包、网络传输、抖动等不利网络属性的严重影响[2]。从通信角度讲，这些不利因素都与网络带宽（负载）密切相关。因此，必须减少分布在大棚内的大量传感器节点的带宽要求，这可通过降低采样频率来实现[3]。然而，根据香农采样定理[4]可知，采样频率应根据监控对象的特点确定，低的采样频率虽然可以提高网络服务质量，但也容易造成网络利用率不足，网络带宽浪费。最终，文中提出了一种基于事件驱动的反馈调度策略[5]。
T（k）、Mir、δi、Ei（k）和Mi分别表示调度周期、截止期错失率参考值、传感器节点i监测的限定值、截止期错失率误差和实际截止期错失率。
系统运行过程中，PID控制器以T（k）为时间触发周期重复执行。但较大的T（k）虽然可以减少Mi，但也易造成较大的超调量、较长的稳定时间和振荡；较小的T（k）虽然可以提高网络的响应速度，又容易造成错失率增大，调节精度下降。因此设计了时间触发与事件触发相结合的机制，设定事件监测条件：|Ei（k）|≥δi。节点i在第k个调度周期内的调度如图4所示：
其中：Ni（k）为传感器节点i发送数据过程中错失截止期的事务个数，当系统在两个采样周期间隔内未收到数据，那么让Ni（k）加1。
通过如上的调度分析，反馈调度器不需要每次都执行Mi（k）和Ei（k），只有在设定的监测条件不成立时才会再次执行。因此，这可有效地减少系统资源的消耗。在保证Mi（k）计算精度的前提下可以选择较小的T（k），降低了T（k）的选择难度，从而一定程度上提高了网络的响应速度。 2.3 WebService接口开发
考虑到系统使用到多种传感器、继电器、平板电脑、RFID读写器、摄像头、服务器、PC终端和移动PDA终端，这些设备系统运行在不同的平台，为实现不同系统的数据存储，引入后的应用系统的体系结构如图5所示：
主要Web服务文件：
WS_Table.asmx：主要用来做系统的报表处理。主要包含Web端应用的获取传感器的历史数据并将其作为与用户评价关系的依据的两个方法：GetSensorHistoryData（）和recValueW
IthEva（）；PC客户端的获取每个大棚传感器实时数据GetSenso
rTemporary（）方法。
WS_Device.asmx：主要用来对一些数据采集硬件设备的处理。PDA端主要含登记操作信息的方法：AddPlantInfo（）。平板Android端主要含采集传感器数据的方法：AddSensorData
（）；Android温湿度上下限等配置信息的方法：AddAndroidCfg
（）；获取继电器开关状态的方法：GetRelayState（）。销售环节溯源称添加销售记录的方法：AddTradeInfo（）。
WS_EnterRegister.asmx：主要用在农产品进加工场处理环节。主要包含添加入场检疫登记的方法：AddEnterRegister
（）；查询与删除入场信息的方法：GetEnterRegisterInfoByT
RaceCode（）和DelleteEnterRegister（）。
WS_ExitRegister.asmx：主要用在农产品出场处理环节。主要包含出场检疫登记方法：AddExitRegister（）；查询与删除出场信息的方法：GetExitRegisterInfoByExitID（）和DeleteExitRegisterByExitID（）。
3 系统实现
3.1 系统任务调度数据结构设计
传感器节点采集数据事务生成后放入事务队列中，队列采用链表的结构来实现[6]：
3.2 系统实现主要界面
本系统主要以.net为开发平台，以C#为开发语言；平板android系统采用java语言在Eclipse平台开发。
3.2.1 监控界面。在该界面中使用者可以监视种植以及加工环节的视频画面，并根据需要进行抓拍保存，也可以设置种植现场的环境变量参数，通过曲线图也可以查看现场实时环境参数值的变化趋势，根据需要做出手动控制。如图6：
3.2.2 加工场入场/出场登记界面。在该界面中，用户可以进行农场品出入场检疫登记、查询等操作。批次信息和入场信息可以采用读取RFID标签的方式自动填写。如图7：
3.2.3 Web系统界面。用户借助该平台可以进行农产品溯源和获取种植知识和病虫害防治解决方案，也可以对所购买的产品进行评价，这些评价信息将作为将来种植环境调整的重要参数。如图8：
3.2.4 后台处理界面（环境与售后分析）。种植互借助该平台可以进行大棚信息管理、如何查看种植信息汇总、进行环境数据分析和查看用户评价与柱状分析图。这些图表将作为用户改善种植环境、提高农产品质量的重要依据。如图9：
4 结论
系统中通过无线传感器网络的选择，解决了种植环节数据传递的难题。同时，采用了基于事件驱动的无线传感器调度方案，有效减低了传感器的能耗问题。借助该系统，可以实现农产品从种植、加工到销售的整个完整流程的信息采集和处理；实现了用户的评价与该批次农产品的成长环境参数的比较综合，它将作为种植户完善种植条件、提高产品质量的决策依据，为最终实现优质农产品的引种移植提供了一个有效的解决方案。
参考文献：
[1]瞿雷编著，ZigBee技术及应用，北京航空航天大学出版社，2007.
[2]Rezgui A， Ehoweissy M.Service—oriented sensor—actuator networks： promises，challenges，and the road ahead[J].Computer Communications，2007，
30（13）：2627—2648.
[3]Colandairaj J， Irwin G W， Scanlon W G. Wireless networked control systems with QoS—based sampling[J].IET Control Theory and Applications，2007，1（1）：430—438.
[4]Abdul， J.Jerri.The Shannon Sampling theorem—Its Various extension and applications： Altutoral review. Proc.of the IEEE， Vol66，NO.11，Nov，1977.
[5]韩安太、郭小华、孙延伟，温室无线传感器网络监控系统的事件驱动调度器，农业机械学报，2010.7 Vol41，No.7.
[6]郭里城，基于反馈控制的实时数据库事务调度研究[D].江苏：江苏大学计算机科学与通信工程学院，2008.
作者简介：
郭里城（1979—），男，福建漳州人，硕士，助教。