基于信息融合與Agent的溫室環(huán)境無線測控系統(tǒng).doc

窗體頂端窗體底端基于信息融合與Agent的溫室環(huán)境無線測控系統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化進展課程論文學號、姓名：20141007郭崇 年級、專業(yè)：2014級 農(nóng)業(yè)電氣化與自動化 培養(yǎng)層次：博士 課程名稱：農(nóng)業(yè)信息化進展授課學時學分：24學時 1.5學分考試成績：授課或主講教師簽字：1 引言智能化溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，信息的獲取和處理是發(fā)展智能化溫室的，人工方式由于工作強度大、效率低等缺點，己不能滿足現(xiàn)代化溫室的發(fā)展要求。無線傳感器技術(shù)具有低速率、低耗電、低成本、支援大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓撲、低復(fù)雜度、快速、可靠和安全等特點，為現(xiàn)代化溫室環(huán)境監(jiān)測開辟了新途徑。因此研究溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)符合現(xiàn)代化溫室的發(fā)展要求。近年來在溫室環(huán)境無線測控技術(shù)方面開展了相關(guān)研究工作，為實現(xiàn)溫室群控要求，本研究將短距離傳輸與長距離傳輸相結(jié)合，利用3G節(jié)點作為基站和匯聚節(jié)點，通過Zigbee節(jié)點進行溫室環(huán)境信息獲取和控制，開發(fā)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，并對無線傳感器絡(luò)進行多傳感器數(shù)據(jù)融合，提高測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量精度和使用性能。針對Zigbee自組織網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點動態(tài)變化，建立了基于移動Agent溫室無線網(wǎng)絡(luò)資源管理系統(tǒng)。2 溫室環(huán)境無線測控系統(tǒng)開發(fā)2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)針對溫室環(huán)境測控系統(tǒng)運行環(huán)境復(fù)雜、控制因子多、要求連續(xù)穩(wěn)定運行、且成本低廉的特點，開發(fā)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。系統(tǒng)主要包括環(huán)境信息傳感器和控制節(jié)點、匯聚節(jié)點、智能網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成。環(huán)境信息感知節(jié)點通過環(huán)境傳感器獲取溫室內(nèi)環(huán)境信息，控制節(jié)點通過繼電器實現(xiàn)溫室環(huán)境調(diào)控設(shè)備的控制。圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2 系統(tǒng)功能(1)溫室環(huán)境信息感知的傳感器節(jié)點基于Zigbee的溫室環(huán)境信息感知傳感器節(jié)點實現(xiàn)溫室環(huán)境信息的獲取，獲取參數(shù)包括：溫室內(nèi)空氣溫度、濕度、光照強度、C02濃度、土壤濕度、土壤溫度等信息；溫室外空氣溫度、空氣濕度、光照強度、C02濃度、風速風向、雨量等信息。(2)信息采集與傳輸?shù)膮R聚節(jié)點利用Zigbee自組網(wǎng)技術(shù)和3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)匯聚節(jié)點的信息采集與傳輸，通過設(shè)定Zigbee網(wǎng)絡(luò)的無線頻點、網(wǎng)絡(luò)ID和節(jié)點的地址，實現(xiàn)在不同溫室中的網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)和識別；采用3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溫室現(xiàn)場信息與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸。(3)現(xiàn)場控制節(jié)點基于Zigbee/3G網(wǎng)絡(luò)，對現(xiàn)場控制節(jié)點發(fā)送控制信號，利用繼電器對溫室各執(zhí)行機構(gòu)進行控制，實現(xiàn)溫室環(huán)境的遠程實時調(diào)控。2.3系統(tǒng)開發(fā)與配置2.3.1信息感知傳感器節(jié)點開發(fā)的傳感節(jié)點如圖2.2 (a)所示，由無線采集設(shè)備、傳感器和供電模塊組成，其中溫濕度節(jié)點配置防輻射罩。溫室環(huán)境信息感知傳感節(jié)點采用上海順舟電子科技有限公司開發(fā)的SZ0系列Zigbee無線采集設(shè)備，該設(shè)備可實現(xiàn)中心節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點任意設(shè)置，可以實現(xiàn)模擬信號、數(shù)字信號和開關(guān)量信號的采集，并可以實6個信道、65536個網(wǎng)絡(luò)ID的設(shè)置，所采集的環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、光照強度和C02濃度等信息，所采用的傳感器技術(shù)參數(shù)如表2.1。（a）傳感節(jié)點（b）智能網(wǎng)關(guān)圖2.2 環(huán)境信息采集系統(tǒng)實物圖表2.1 傳感器技術(shù)參數(shù)2.3.2匯聚節(jié)點匯聚節(jié)點采用鎮(zhèn)江大科茂信息系統(tǒng)有限責任公司的智能網(wǎng)關(guān)，如圖2.2(b)。智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用ARM1176JZF-S核作為智能網(wǎng)關(guān)的微處理器，并集成了Zigbee、3G等模塊，軟件上集成了 BOA服務(wù)器、SQLite3數(shù)據(jù)庫。ARM控制器通過串口與Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點連接，來獲取Zigbee無線傳感器網(wǎng)采集的環(huán)境參數(shù)。2.3.3溫室環(huán)境控制節(jié)點圖2.3為溫室環(huán)境控制節(jié)點系統(tǒng)，智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)通過3G網(wǎng)絡(luò)接收服務(wù)器發(fā)送的控制信號，匯聚節(jié)點通過Zigbee協(xié)調(diào)節(jié)點將控制信號傳輸至控制節(jié)點，通過485總線傳輸至信號轉(zhuǎn)換模塊，信號轉(zhuǎn)換模型將控制信號進行轉(zhuǎn)換為16路繼電器控制信號進行執(zhí)行機構(gòu)的控制。圖2.3 溫室環(huán)境控制節(jié)點2.3.4智能網(wǎng)關(guān)工作過程溫室環(huán)境智能網(wǎng)關(guān)工作過程如圖2.4所示。首先服務(wù)器端啟動3G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序，服務(wù)功能成功后，智能網(wǎng)關(guān)終端進行網(wǎng)絡(luò)連接，并開始監(jiān)聽來自用戶和信息采集節(jié)點的中斷信號，當中斷為信息釆集中斷的串口數(shù)據(jù)上報時，則更新當前環(huán)境信息，并將實時環(huán)境信息上報至服務(wù)器。當數(shù)據(jù)來自服務(wù)器的查詢和控制指令時，系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)指令進行應(yīng)答，當服務(wù)器指令為數(shù)據(jù)查詢指令時，根據(jù)查詢需求反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)；當指令為環(huán)境調(diào)控時，系統(tǒng)對服務(wù)器所發(fā)送控制指令進行解析，并將控制指令發(fā)送通過485端口發(fā)送至繼電器轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)溫室環(huán)境的調(diào)控。圖2.4 智能網(wǎng)關(guān)工作過程3溫室環(huán)境無線測控網(wǎng)絡(luò)旳多信息融合3.1溫室環(huán)境無線測控網(wǎng)絡(luò)的兩層融合常規(guī)的多傳感器數(shù)據(jù)融合考慮的主要是對同一時刻屬于不同空間的傳感器的數(shù)據(jù)進行空間融合或?qū)ν粋鞲衅鞯牟煌瑫r刻的數(shù)據(jù)進行時間融合。但是在溫室環(huán)境測控多傳感器系統(tǒng)中，由于無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中存在干擾，會造成部分傳感器的數(shù)據(jù)丟失或誤差；同時不同節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)不同，而數(shù)據(jù)之間存在著相互聯(lián)系，如溫度與光照呈現(xiàn)正相關(guān)，而與濕度呈負相關(guān)。因此在進行多傳感器數(shù)據(jù)融合時應(yīng)考慮參數(shù)之間的相互影響，實現(xiàn)異構(gòu)傳感器之間的數(shù)據(jù)融合。針對圖2.1的溫室環(huán)境測控的三層結(jié)構(gòu)體系，提出了節(jié)點級+匯聚級兩級融合方法進行傳感器的信息融合。其融合過程如圖2.5所示，即先在節(jié)點上對同一時刻的傳感器觀測值進行節(jié)點層融合，然后在匯聚層對匯聚點內(nèi)的節(jié)點融合的結(jié)果利用加權(quán)最小二乘融合算法進行異構(gòu)多傳感器融合，從而提高數(shù)據(jù)準確度。圖2.5 溫室環(huán)境無線測控網(wǎng)絡(luò)兩級融合的過程3.2 融合實驗分析3.2.1 試驗地點與裝置試驗在農(nóng)業(yè)示范園的2個Venlo型玻璃溫室內(nèi)進行，試驗溫室跨度9.6m、間距4m、肩髙4m、4跨9間、占地面積1382.4 nf。溫室配置有天窗、側(cè)窗、內(nèi)遮陽、外遮陽、濕簾風機等調(diào)控設(shè)備，種植的作物主要為生菜、黃瓜等蔬菜作物。試驗采用2.1節(jié)中所開發(fā)的溫室環(huán)境無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)，各傳感器所采集數(shù)據(jù)類型如表2.2所示，各傳感器的技術(shù)參數(shù)見表2.1。表2.2 實驗用的傳感器參數(shù)由于溫室環(huán)境控制的主要對象是溫度和濕度，而溫濕度在溫室的不同區(qū)域存在著差別，因此傳感器的節(jié)點布置為溫室內(nèi)對角位置設(shè)置2個溫濕度；對于光照和C02, 般不進行直接調(diào)控，只是作為溫濕度調(diào)控的依據(jù)，所以在溫室中部作物上方設(shè)置1個光照和1個C02環(huán)境信息采集節(jié)點。在本試驗中由于C02不調(diào)控，其變化不大，因此在融合過程中不考慮C02傳感器的影響。則節(jié)點的測量向量表示為Z = T,H,Lt，各傳感器對應(yīng)的測量矩陣和測量噪聲分別為：3.2.2傳感節(jié)點層融合結(jié)果為測試傳感器節(jié)點融合效果，分別采用表2.1的3個節(jié)點對溫室內(nèi)溫度、濕度和光照強度進行環(huán)境信息釆集，釆集時間為2013年10月11 0:00到24:00,設(shè)定結(jié)點數(shù)掘采集間隔為10min,共釆集144個數(shù)據(jù)。圖2.6-2.7分別為節(jié)點1和節(jié)點2的溫度和濕度濾波結(jié)果，從濾波結(jié)果可以看出，2個節(jié)點的溫度參數(shù)測量值波動不大，濾波的結(jié)果與實測值差別較小，其中節(jié)點2的溫度值在中午時刻由于太陽輻射產(chǎn)生波動，通過濾波實現(xiàn)/溫度的平滑處理。對于濕度的濾波結(jié)果中，夜間溫室處于密閉狀態(tài)，由于作物的呼吸作用，使得溫室內(nèi)濕度接近100%，而濕度傳感器在大于98%濕度時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動，通過卡爾曼濾波，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的平滑。圖2.6 節(jié)點1的卡爾曼濾波結(jié)果圖2.7節(jié)點2的卡爾曼濾波結(jié)果節(jié)點3的光照強度的濾波結(jié)果如圖2.8所示，中午時刻，由于外界光照發(fā)生短時間的變化而導(dǎo)致溫室內(nèi)光照強度發(fā)生突變，通過卡爾曼濾波可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波，減少由于短時間的室外光照突變對數(shù)據(jù)的影響。圖2.8節(jié)點3的卡爾曼濾波結(jié)果3.2.3匯聚層節(jié)點融合結(jié)果為測試匯聚級融合效果，選擇在溫濕度變化范圍較大的7:00到12:00的數(shù)據(jù)進行融合效果測試。圖2.9為采用加權(quán)最小二乘算法獲得的溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強度的融合值。由于本研宄中僅設(shè)置了一個光照傳感器，因此在融合過程中，根據(jù)本文的最小二乘融合算法，光照的融合值為光照（節(jié)點3)的測量值。在上午8：00之前，溫度和濕度的融合值均為平均值。溫室在上午8:00打開側(cè)窗通風換氣，山于試驗溫室東側(cè)為空地，西側(cè)為另一溫室，自然通風主要是靠東側(cè)窗實現(xiàn)室內(nèi)溫度濕熱交換，從而位于溫室東側(cè)節(jié)點2的溫度和濕度值下降較快，位于溫室西側(cè)的溫度和濕度滯后1小時后開始變化，通過加權(quán)最小二乘融合，溫度和濕度融合值的變化更接近于節(jié)點2,從而更能反映溫室內(nèi)溫度和濕度的變化情況。10:00以后溫室與室外達到動態(tài)濕熱平衡，溫度和濕度的融合值為平均值。圖2.9 融合結(jié)果4 結(jié)論本文開發(fā)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫室壞境測控系統(tǒng)，將短距離轉(zhuǎn)輸與長距離傳輸相結(jié)合，采用基于zigbee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境信息采集節(jié)點，利用3G網(wǎng)絡(luò)作為基站和匯聚控制節(jié)點信息傳輸。同時針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，采用兩層信息融合方法，利用卡爾曼濾波法進行傳感節(jié)點層融合，采用加權(quán)最小二乘法進行匯聚層節(jié)點融合，實現(xiàn)異構(gòu)多傳感器的信息融合，以提高傳感器的采集數(shù)據(jù)準確性。參考文獻1楊瑋，李民贊，王秀.農(nóng)田信息傳輸方式現(xiàn)狀及研究進展J.農(nóng)業(yè)工程學報，2008,24(5):297-3012Wang Ning, Zhang Naiqian, Wang Maohao. 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