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基于数据融合技术的花木盆景生产基地WSN设计

   日期:2018-04-19 12:29:55      浏览:8    
核心提示:由于无线传感器网络(WSN)基本模块生产厂家较多,在其二次应用开发中,通信协议和数据接口难以标准化,多传感器部署多跳传输形成的数据冗余度和无谓能耗非常高。为此,在分析了花木盆景生产基地WSN开发背景、设计要点、难点以及XMLDOM技术特点之后,
 摘要:由于无线传感器网络(WSN)基本模块生产厂家较多,在其二次应用开发中,通信协议和数据接口难以标准化,多传感器部署多跳传输形成的数据冗余度和无谓能耗非常高。为此,在分析了花木盆景生产基地WSN开发背景、设计要点、难点以及XMLDOM技术特点之后,阐述了采用跨平台的XMLDOM技术设计WSN数据采集和协议接口的意义和思路,提出了在多个层面采用不同级别数据融合技术的WSN系统实现策略。该方案可以提高WSN系统的运行质量。
 
目前,已在国内出现的很多无线传感器网络(Wirelesssensornetwork,简称WSN)技术产品在物理层和链路层的核心技术规范、无线局域网数据采集定义表述、底层通信协议及接口、数据通信传输处理、异构网跨平台互联等方面尚无统一的业界标准,多传感器相邻部署及感知数据多跳传输产生的信息冗余度非常高。为此,在研究开发花木盆景生产基地WSN应用系统的过程中,在无线传感器网络系统数据采集、通信协议接口等环节采用跨平台XMLDOM技术的基础上,在WSN系统多个层面分别采用了不同等级不同功能目标的数据融合技术,以解决WSN系统数据接口不一致、信息冗余度高、无线传感器网络能量约束等问题,从而提高WSN应用系统实际运行效果。
基于数据融合技术的花木盆景生产基地WSN设计
 
1.花木盆景生产基地WSN系统开发背景及实施意义
 
江苏省南通地区如皋市是全国闻名的花木盆景之乡和长寿古邑。花木盆景产业经济价值高,已成为如皋农民奔向富裕小康的主要经济基础。花木盆景生产大棚是否具备良好的遮阴、保暖、灌溉、补光等现代生产工艺条件,对花卉生产质量和产量影响很大。如皋花木产业规模化生产的红掌、君子兰雀舌、蝴蝶兰等中高档花卉,生产周期和出棚季节性不同,需要分棚栽培,对温度、湿度、光照度、透光性、土壤含水率、肥料成分、o2及CO2浓度等指标测控要求各不相同,仅靠传统经验和劳作方式难以稳定花木生产质量和产量,花农劳动强度很大。为了实现“二化融合”,如皋花木大世界等不少企业开始与物联网相关高校研究院所和有关企业合作,在花木生产及现场管理系统中引入以无线传感器网络技术为核心的计算机应用技术,逐步实现花木产业提质增效、花农增收,不断提高农业现代化生产水平。
 
2.花木盆景生产基地WSN系统设计要点
 
2.1典型的花木盆景大棚生产管理智能化模式
 
由图1可知,正在开发完善中的花木盆景生产基地WSN系统是由大量低廉的静比或移动的多种类型的无线传感器节点组成,通过无线通信方式以自组织和多跳的方式构成无线网络体系架构,并部署在监测区域内。该WSN系统与PLC相关设备、高/低温控制系统、大棚生产管理软件系统等构成了花木盆景大棚智能化生产管理系统,可以实现智能花卉生产全过程中对大棚温度、湿度、光照度、COz浓度等重要参数的自动检测、调节和控制。
 
该系统包含数据采集模块、网络传输协调模块和控制管理模块等基本功能模块。其主要功能如下:网络传输协调模块负责组建、维护无线网络,收集花木盆景生产基地WSN系统中的传感器数据和输出设备状态数据,并将数据传输给监控软件,接收监控软件的控制指令并将指令发送到无线网络中(图2);生产数据采集模块负责采集相应传感器数据,转换处理组帧后发送到无线网络中;控制管理模块负责接收无线网络中相应的控制指令,经过指令分析形成输出设备控制指令,并将WSN系统所有信息和数据定期发送到后台Wed)服务器中,形成整个花木盆景生产基地高层管理和决策的辅助信息。
 
2.2大棚WSN子系统主要环节功能设计
 
感知设备有温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、红外传感器等,其中温湿度传感器实时监测环境周围的温湿度数据;光照度传感器实时监测环境周围的光照度数据;灌溉指示灯指示滴灌设备工作状态;高低温指示灯指示环境温度状态。
 
控制设备有滴灌指示设备、通风设备、供暖设备、花木养分水灌溉设备、高低温指示设备、卷帘设备等。其中,供暖设备实时监测和控制环境中温度和湿度的状态;通风设备实时监测和控制环境中温度和湿度的状态,控制肥水灌溉;花木养分水灌溉设备根据需要对养分营养水成分、pH和EC值进行综合调控,根据花木生长对基培和土培区栽培的工艺要求,设定土壤基质、土壤水势,自动调节滴灌、喷灌系统的灌溉时间和次数等。
 
其他环节如光照调节、气体与通风调节等及其功能不在此一一叙述。
 
2.3花木盆景生产基地WSN系统设计难点分析
 
由于如皋花木大世界园区内外相邻花木生产企业较多,这些企业的WSN系统解决方案、数据采集方法定义和网络传输技术接口差异较大。即使是在同一个企业,由于不同花卉产品生产大棚相邻很近,要检测、采集和控制的温度、湿度、光照度、C0;浓度、OZ浓度、Nz浓度等生产工艺参数和观测指标种类繁多,基础数据量本身就很大,而由于WSN系统内部各相邻节点数据多跳传输特性可能产生的无效派生数据量更大,信息冗余度非常高,传感器节点有限的能源消耗速度极快,WSN系统鲁棒性非常低。
 
企业WSN系统底层通信协议接口困难,园区企业信息共享难,这会对最终建成高效运行的如皋智能花木大世界造成困难。因此,在设计和完善花木盆景生产基地WSN系统总体设计方案时,要在数据采集、通信协议与信息处理模式等环节统一采用XMLDOM技术的基础上,在无线传感器网络终端节点(感知层)、节点子网中间处理层、节点网网关(网络层)及B/S或C/S服务器端(应用层)数据处理等层而分别采用不同等级和不同功能目标的WSN数据融合技术,以解决园区WSN系统数据接口不一致、无线传感器网络能量约束、系统稳定性差等问题。
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