李超然
（韓山師范學院計算機與信息工程學院，廣東 潮州 521041）
當前，在無線傳感器網絡技術的支持與應用下，智慧茶園的設計與管理工作迎來了全新的發展局面。與傳統的茶園環境監測不同，基于傳感器技術的智慧茶園數據信息收集與整理，更加強調數據信息的真實性和準確性，可以快速感知周圍環境的質量、太陽能資源的充足性、茶作物的品質等[1]。
1.1 系統概述
為確保茶園數據信息被更加便捷、科學、準確地收集與整理，基于傳感器技術設計開發了一套行之有效的智慧茶園數據采集管理系統，可以對茶園的各類數據信息進行有效的監督與管理，提高種植與管理的準確性和可靠性。以傳感器技術作為基礎，提高管理的智慧化和科技化水平，能夠顯著提高智能助農、科技創收的意義，并為廣袤的茶園管理工作提供核心技術支持[2]。
1.2 系統組成
基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統關鍵的組成部分有云端、物聯網網關和傳感器節點，通過關鍵技術手段使各組成單元形成聯系，可動態性收集與整理茶園管理期產生的各類關鍵數據，評價茶作物的生長質量和管理效益，為保證茶作物健康長大提供支持。并且將收集整理的數據信息利用手機終端、計算機終端進行傳輸，利用可視化界面為廣大用戶提供圖表等直觀的展示，從而實現茶園管理效果。
1.3 系統功能
（1）動態性觀察茶園環境。利用計算機終端或者是手機終端，動態性地對大氣降雨量、土壤酸堿值、土壤溫度值、光照強度、大氣氧氣含量、大氣二氧化碳含量以及大氣溫度、濕度等進行檢測。在通信技術的支持下，茶園的管理者可以憑借遠程控制技術，在移動終端遠程查看茶園環境。
（2）環境歷史數據查詢。茶園管理者可以根據自己的需求，按照系統的導航查詢并閱讀茶園歷史環境數據信息，并對關鍵的數據信息進行保存。在進行檢索時，可綜合日期、關鍵詞等多種方法快速抵達相應的數據位置[3]。
（3）預警與告警?；趥鞲衅骷夹g的智慧茶園數據采集管理系統，在具體應用時可以通過設置完成各類關鍵參數值，實現對數據信息的監控。當茶園的環境變化導致數據超過設置的參數值界限時，系統將會按照其配置，利用手機信息、系統消息等多種途徑將出現的問題及時反饋給管理者。
（4）視頻監控。將高清攝像機安裝設置在茶葉種植區域范圍內，利用視頻監控的方式動態性地對茶葉的病害情況、生長態勢等進行實時監督與控制。當茶園沒有專門的管理人員進行監督與管理時，農戶可以在家視頻進行遠程監督，提高管理的便利性和效率。
1.4 系統特點
（1）基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統在進行監督管理時，可以實現全天候無人管理，在很大程度上降低了成本支出。
（2）基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統在進行監督管理時，并可實現遠程監督與管理，確保管理更加集中，也能夠實現規?；芾?。
（3）基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統在進行監督管理時，可以保存收集與整理的數據信息，為后續的產品溯源提供數據支撐，使數據信息更加透明化。
以茶園的信息采集與整理的特征作為依據，設計傳感器網絡節點，綜合電源模塊、傳感器模塊、串口通信模塊、無線通信模塊、處理器模塊，強化土壤水分含量、大氣溫濕度、茶園其他環境影響因素的采集力度，利用自組網的方式將收集整理的數據信息快速反饋到監督與控制中心，提高信息數據的傳輸效率[4]。
以茶園信息采集的需求作為依據，在檢測大氣溫濕度時，選擇使用瑞士公司生產的SHT11數字傳感器；
在檢測土壤中的水分含量多少時，選擇使用錦州陽光科技有限公司生產的TDR-3傳感器。各類傳感器的技術參數如表1所示。
表1 各類傳感器技術參數表
3.1 組成及任務調度
基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統，其搭載的操作系統為TinyOS系統，整個系統包括硬件抽象單元、通信單元、執行單元、感知單元、應用單元和操作系統單元，如圖1所示。
圖1 基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統框架
在硬件抽象單元中，其操作所實現的主要功能有驅動硬件執行以及處理硬件運行中斷。在采集茶園關鍵數據信息時，通過連接通信單元、執行單元、感知單元、模塊等，提高數據信息的收集效率和準確性，并將各類動作執行落實到實處，強化數據信息的傳輸與通信能力。應用單元在服務期間，可以以茶園的實際情況作為依據，與系統感知單元、通信單元和執行單元一起，實現數據信息采集管理系統的運行目標[5]。
基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統的操作系統能夠實現以FIFO為基礎的任務隊列調度，初始化處理系統內的各類組件和硬件，通過控制其開始、啟動、停止，完成相應的能量管理，實現管理監督任務的有效落實。當基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統在運行時，將會分出事件執行線程和任務執行線程兩條線路，調度器在運行的時，硬件中斷觸發事件調度，事件相互間出現搶占的現象，而任務間并沒有出現搶占現象；
當智慧茶園數據采集管理系統處于睡眠狀態時，需要發生事件才可以將系統喚醒[6]。
3.2 通信協議設計分析
基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統，是以T-MAC協議作為基礎而搭建的數據鏈路層協議，這種類型的協議在具體應用時，選擇可以展開調節的休眠狀態時隙和活動狀態時隙，要求所有的數據信息在傳輸時，必須在后動狀態時隙內完成。對持續時間進行動態性活動調節，可以有效保障網絡負載始終保持良好的平衡狀態，可控制將因為空閑監聽所導致的節點能量消耗。通過更多的時隙分配，協議可以使處于休眠狀態下的節點降低能量消耗，延長節點生命周期[7]。
T-MAC協議在數據發送時，主要采用RTS/CTS/DATA/ACK通信來實現，偵查并傾聽節點周期性喚醒。例如，在固定的時間TA之內，若是系統運行沒有出現激活事件，系統將會進入休眠狀態。在所有的活動狀態期間，協議在發送數據時將會以突發的形式完成。TA決定著所有周期最小的空閑偵聽時間，最小空閑偵聽時間的結果決定著T-MAC協議性能，在取值時，其約束為
式中，C為競爭時間長度；
R為RTS分組發送的時間；
T為RTS分組結束持續到CTS分組發出開始的時間。
因為智慧茶園數據采集管理系統的T-MAC協議在運行期間存在早睡問題，在解決該問題時可以選擇使用滿緩沖區優先的體制機制進行處理。以改進的洪泛通信協議作為依據設計節點網絡層通信協議，該協議可以完成全網周期性睡眠調度處理工作，保證在更長的時間范圍內節點處于睡眠狀態，在此基礎上實現節點協調處理工作[8]。
（1）洪泛協議做出改進。洪泛協議是協議的基礎，當網絡處于通信狀態時，節點會把該數據包面向全網進行廣播，一直持續到全網的所有節點全部接收到數據包。
（2）同步時間。為了實現T-MAC算法的功能，要求協議在全網同步的過程中進行休眠—活動—休眠，與此同時，要保證全網時間均保持同步狀態。在協議中完成通過節點中Time0虛擬計算器編寫任務，在網絡中加入節點后，以匯聚節點的指令作為依據，啟動上述編寫完成的計時器，以時序作為依據實現休眠—活動—休眠工作循環。但因為不同的節點相互之間存在著不穩定傳輸、延時傳輸、晶振頻率差等問題，從而導致節點間存在著時間非同步的現象。要想保持全網時鐘具有同步性，協議可使用TPSN時間同步算法。
（3）網絡拓撲，在網絡中加入新過節點，要借助網絡層完成處理任務。智慧茶園數據采集管理系統采用以下方法：當網絡加入單節點時，大約每間隔3 s的時間將會傳輸一條請求加入網絡的信息，之后進入偵聽狀態，時間大約為1 s，如此循環往復，一直持續到加入網絡。此后，以匯聚節點作為依據的指令將上述計時器啟動，保證時間同步，完成網絡加入過程。
4.1 節點能耗
在進行設計節點時，總共選擇使用7個節點完成系統處理。其中，有2個節點作為搭載SHT11傳感器的節點，完成大氣濕度信息和溫度信息采集任務；
有4個節點搭載TDR-3傳感器，完成對土壤中水分含量信息的采集任務；
有1個節點作為匯聚節點，將其連接到終端。為保證信息的準確性和實時性，數據信息采集的時間控制在每30分鐘一次。設置nRF905最大的發送功率，經過30天的實驗分析，對茶園的大氣溫濕度信息和土壤水分信息等展開測量，并對測量的信息進行記錄。
4.2 通信丟包率
統計并整理30天時間內的數據包，結果如表2所示。
表2 網絡丟包率
在本文的分析與研究中，設計了智慧茶園數據采集管理系統無線傳感器網絡節點，從硬件設計、軟件設計、通信協議三個角度展開較為系統的分析。實驗結果顯示，基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統在采集茶園數據信息的時候，每間隔半個小時進行一次，在連續工作30天的情況下，平均每天節點的壓降大約為1.5 mV，通信的有效距離最遠可以達到150 m，網絡丟包率為3.72%。基于傳感器技術的智慧茶園數據采集管理系統設計，比較適合茶園信息采集，并且具有很小的能量消耗和較低的丟包率，適合在茶園等場景中長時間使用?！?/p>
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