基于信息融合與Agent的溫室環(huán)境無(wú)線測(cè)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(wú)線測(cè)控系統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)展課程論文學(xué)號(hào)、姓名：20141007郭崇 年級(jí)、專業(yè)：2014級(jí) 農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化 培養(yǎng)層次：博士 課程名稱：農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)展授課學(xué)時(shí)學(xué)分：24學(xué)時(shí) 1.5學(xué)分考試成績(jī)：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(qiáng)度大、效率低等缺點(diǎn)，己不能滿足現(xiàn)代化溫室的發(fā)展要求。無(wú)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(diǎn)、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠和安全等特點(diǎn)，為現(xiàn)代化溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)開(kāi)辟了新途徑。因此研究溫室無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)符合現(xiàn)代化溫室的發(fā)展要求。近年來(lái)在溫室環(huán)境無(wú)線測(cè)控技術(shù)方面開(kāi)展了相關(guān)研究工作，為實(shí)現(xiàn)溫室群控要求，本研究將短距離傳輸與長(zhǎng)距離傳輸相結(jié)合，利用3G節(jié)點(diǎn)作為基站和匯聚節(jié)點(diǎn)，通過(guò)Zigbee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫室環(huán)境信息獲取和控制，開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)無(wú)線傳感器絡(luò)進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合，提高測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量精度和使用性能。針對(duì)Zigbee自組織網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化，建立了基于移動(dòng)Agent溫室無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源管理系統(tǒng)。2 溫室環(huán)境無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)針對(duì)溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、控制因子多、要求連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、且成本低廉的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境測(cè)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(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、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(diǎn)通過(guò)環(huán)境傳感器獲取溫室內(nèi)環(huán)境信息，控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)繼電器實(shí)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(diǎn)基于Zigbee的溫室環(huán)境信息感知傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)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(qiáng)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(qiáng)度、C02濃度、風(fēng)速風(fēng)向、雨量等信息。(2)信息采集與傳輸?shù)膮R聚節(jié)點(diǎn)利用Zigbee自組網(wǎng)技術(shù)和3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)的信息采集與傳輸，通過(guò)設(shè)定Zigbee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線頻點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)ID和節(jié)點(diǎn)的地址，實(shí)現(xiàn)在不同溫室中的網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)和識(shí)別；采用3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫室現(xiàn)場(chǎng)信息與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸。(3)現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)基于Zigbee/3G網(wǎng)絡(luò)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號(hào)，利用繼電器對(duì)溫室各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)控。2.3系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與配置2.3.1信息感知傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)的傳感節(jié)點(diǎn)如圖2.2 (a)所示，由無(wú)線采集設(shè)備、傳感器和供電模塊組成，其中溫濕度節(jié)點(diǎn)配置防輻射罩。溫室環(huán)境信息感知傳感節(jié)點(diǎn)采用上海順舟電子科技有限公司開(kāi)發(fā)的SZ0系列Zigbee無(wú)線采集設(shè)備，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)任意設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采集，并可以實(shí)6個(gè)信道、65536個(gè)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(qiáng)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(diǎn)（b）智能網(wǎng)關(guān)圖2.2 環(huán)境信息采集系統(tǒng)實(shí)物圖表2.1 傳感器技術(shù)參數(shù)2.3.2匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)采用鎮(zhèn)江大科茂信息系統(tǒng)有限責(zé)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(kù)。ARM控制器通過(guò)串口與Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接，來(lái)獲取Zigbee無(wú)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(diǎn)圖2.3為溫室環(huán)境控制節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)接收服務(wù)器發(fā)送的控制信號(hào)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將控制信號(hào)傳輸至控制節(jié)點(diǎn)，通過(guò)485總線傳輸至信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)轉(zhuǎn)換模型將控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換為16路繼電器控制信號(hào)進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。圖2.3 溫室環(huán)境控制節(jié)點(diǎn)2.3.4智能網(wǎng)關(guān)工作過(guò)程溫室環(huán)境智能網(wǎng)關(guān)工作過(guò)程如圖2.4所示。首先服務(wù)器端啟動(dòng)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，并開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)來(lái)自用戶和信息采集節(jié)點(diǎn)的中斷信號(hào)，當(dāng)中斷為信息釆集中斷的串口數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)，則更新當(dāng)前環(huán)境信息，并將實(shí)時(shí)環(huán)境信息上報(bào)至服務(wù)器。當(dāng)數(shù)據(jù)來(lái)自服務(wù)器的查詢和控制指令時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)指令進(jìn)行應(yīng)答，當(dāng)服務(wù)器指令為數(shù)據(jù)查詢指令時(shí)，根據(jù)查詢需求反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)；當(dāng)指令為環(huán)境調(diào)控時(shí)，系統(tǒng)對(duì)服務(wù)器所發(fā)送控制指令進(jìn)行解析，并將控制指令發(fā)送通過(guò)485端口發(fā)送至繼電器轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的調(diào)控。圖2.4 智能網(wǎng)關(guān)工作過(guò)程3溫室環(huán)境無(wú)線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)旳多信息融合3.1溫室環(huán)境無(wú)線測(cè)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(duì)同一時(shí)刻屬于不同空間的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間融合或?qū)ν粋鞲衅鞯牟煌瑫r(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間融合。但是在溫室環(huán)境測(cè)控多傳感器系統(tǒng)中，由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)程中存在干擾，會(huì)造成部分傳感器的數(shù)據(jù)丟失或誤差；同時(shí)不同節(jié)點(diǎn)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(fù)相關(guān)。因此在進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合時(shí)應(yīng)考慮參數(shù)之間的相互影響，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)傳感器之間的數(shù)據(jù)融合。針對(duì)圖2.1的溫室環(huán)境測(cè)控的三層結(jié)構(gòu)體系，提出了節(jié)點(diǎn)級(jí)+匯聚級(jí)兩級(jí)融合方法進(jìn)行傳感器的信息融合。其融合過(guò)程如圖2.5所示，即先在節(jié)點(diǎn)上對(duì)同一時(shí)刻的傳感器觀測(cè)值進(jìn)行節(jié)點(diǎn)層融合，然后在匯聚層對(duì)匯聚點(diǎn)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)融合的結(jié)果利用加權(quán)最小二乘融合算法進(jìn)行異構(gòu)多傳感器融合，從而提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。圖2.5 溫室環(huán)境無(wú)線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)兩級(jí)融合的過(guò)程3.2 融合實(shí)驗(yàn)分析3.2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與裝置試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)示范園的2個(gè)Venlo型玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)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(yáng)、外遮陽(yáng)、濕簾風(fēng)機(jī)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(yàn)采用2.1節(jié)中所開(kāi)發(fā)的溫室環(huán)境無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)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(jiàn)表2.1。表2.2 實(shí)驗(yàn)用的傳感器參數(shù)由于溫室環(huán)境控制的主要對(duì)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(diǎn)布置為溫室內(nèi)對(duì)角位置設(shè)置2個(gè)溫濕度；對(duì)于光照和C02, 般不進(jìn)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(gè)光照和1個(gè)C02環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)。在本試驗(yàn)中由于C02不調(diào)控，其變化不大，因此在融合過(guò)程中不考慮C02傳感器的影響。則節(jié)點(diǎn)的測(cè)量向量表示為Z = T,H,Lt，各傳感器對(duì)應(yīng)的測(cè)量矩陣和測(cè)量噪聲分別為：3.2.2傳感節(jié)點(diǎn)層融合結(jié)果為測(cè)試傳感器節(jié)點(diǎn)融合效果，分別采用表2.1的3個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行環(huán)境信息釆集，釆集時(shí)間為2013年10月11 0:00到24:00,設(shè)定結(jié)點(diǎn)數(shù)掘采集間隔為10min,共釆集144個(gè)數(shù)據(jù)。圖2.6-2.7分別為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的溫度和濕度濾波結(jié)果，從濾波結(jié)果可以看出，2個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度參數(shù)測(cè)量值波動(dòng)不大，濾波的結(jié)果與實(shí)測(cè)值差別較小，其中節(jié)點(diǎn)2的溫度值在中午時(shí)刻由于太陽(yáng)輻射產(chǎn)生波動(dòng)，通過(guò)濾波實(shí)現(xiàn)/溫度的平滑處理。對(duì)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(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)，通過(guò)卡爾曼濾波，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的平滑。圖2.6 節(jié)點(diǎn)1的卡爾曼濾波結(jié)果圖2.7節(jié)點(diǎn)2的卡爾曼濾波結(jié)果節(jié)點(diǎn)3的光照強(qiáng)度的濾波結(jié)果如圖2.8所示，中午時(shí)刻，由于外界光照發(fā)生短時(shí)間的變化而導(dǎo)致溫室內(nèi)光照強(qiáng)度發(fā)生突變，通過(guò)卡爾曼濾波可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波，減少由于短時(shí)間的室外光照突變對(duì)數(shù)據(jù)的影響。圖2.8節(jié)點(diǎn)3的卡爾曼濾波結(jié)果3.2.3匯聚層節(jié)點(diǎn)融合結(jié)果為測(cè)試匯聚級(jí)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(jìn)行融合效果測(cè)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(qiáng)度的融合值。由于本研宄中僅設(shè)置了一個(gè)光照傳感器，因此在融合過(guò)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(diǎn)3)的測(cè)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(kāi)側(cè)窗通風(fēng)換氣，山于試驗(yàn)溫室東側(cè)為空地，西側(cè)為另一溫室，自然通風(fēng)主要是靠東側(cè)窗實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度濕熱交換，從而位于溫室東側(cè)節(jié)點(diǎn)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(shí)后開(kāi)始變化，通過(guò)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(diǎn)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(dá)到動(dòng)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(kāi)發(fā)了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的溫室壞境測(cè)控系統(tǒng)，將短距離轉(zhuǎn)輸與長(zhǎng)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(diǎn)，利用3G網(wǎng)絡(luò)作為基站和匯聚控制節(jié)點(diǎn)信息傳輸。同時(shí)針對(duì)無(wú)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(jìn)行傳感節(jié)點(diǎn)層融合，采用加權(quán)最小二乘法進(jìn)行匯聚層節(jié)點(diǎn)融合，實(shí)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(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)1楊瑋，李民贊，王秀.農(nóng)田信息傳輸方式現(xiàn)狀及研究進(jìn)展J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008,24(5):297-3012Wang Ning, Zhang Naiqian, Wang Maohao. 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