基于物联网的茶叶种植监测系统的研究

福建省泉州市安溪县是有名的铁观音生产基地，这里产茶、制茶历史悠久，优渥的自然条件，其制作出的铁观音茶叶远销海内外，受到不同阶段人们的喜爱。但是铁观音茶叶的种植和生产多集中在安溪县一些偏远乡镇、农村，多是靠茶农凭经验种植茶叶，靠感觉来判断是否该施肥、施药、浇水，耗费了精力、物力与时间不说，往往还达不到预期的成果，甚至还会对破坏土壤，造成环境污染，不利于水土保持等问题。比如近年备受困扰的铁观音农药残留问题，一度对铁观音的销售产生严重影响。因此，迫切需要引进信息化管理技术来提高种植效率的同时又能保证最佳的茶叶种植生长环境。
物联网（The Internet of Things），顾名思义，就是物体与物体之间实现互联，作为互联网的衍生产物之一，近幾年物联网的发展越来越迅速，相关技术也越来越成熟，是未来智慧城市的主要存在形态，收获了各行各业的重视和关注。结合了射频识别（RFID）、传感器（Sensor）、嵌入式系统（Embedded System）及云计算（Cloud Computing）等众多技术[1]，其中由传感器节点组成的无线传感器网络是物联网的核心部分。
本文从茶叶种植的实际出发，引进物联网技术中的各类传感器，构建无线传感器网络，实现对茶叶种植过程中的远程监测和控制，实时获取土壤温度、土壤湿度、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤PH值、CO2浓度等茶叶生长相关因素的数据参数，并及时进行自动浇水、自动光照、自动施肥等相应操作，不仅可以提高铁观音茶叶种植的效率，还可以提升茶叶的质量。
1 系统主要实现的功能
将各类型传感器节点部署在监测区域内，节点间通过无线方式自组成传感器网络，并确保监控区域全覆盖，从而实现对监测区域相关种植参数的实时监控。整个茶叶种植监测系统主要可实现以下功能。
1.1 远程监测
无线传感器网络最后通过多网融合技术接入互联网，在远程监控中心，用户可以监控并访问整个传感器网络。监测终端包括固定地点的PC监测终端和可移动终端。固定终端是一个固定的监控平台，方便用户在固定的工作地点进行长时间的监测;移动终端通常通过将程序植入手机、ipad等可以随身携带的电子设备，方便用户随时查看。
1.2 数据处理
在监测区域内合理的部署不同类型的传感器节点，使得可以准确采集到茶叶生长过程中各类指标的具体数值，并将数据适当处理后发送至远程数据库，用户通过客户端了解最新的数据信息，实现实时监测。
1.3 网络的生存期足够长
根据茶叶的生长周期，大概为2～3个月，茶叶监测系统至少需要保证运行一个周期以上[2]。在此过程中，所有节点都是通过自身电池供电，能量非常的有限，因此在保证网络通畅的同时还要对每个节点的能量消耗进行适当的控制，尽可能的延长网络的生命
周期。
2 茶叶种植监测系统的框架
2.1 无线传感器网络监测茶叶种植的特点
与传统的茶叶种植所有都要通过人工、凭借经验的情况相比，利用无线传感器网络来对茶叶种植区进行监测有以下几个优势：①传感器节点体积小、组网灵活，而且还是通过无线的方式，对种植区环境几乎没有影响;②传感器网络每个节点都可以及时采集相应的数据信息、精确度好;③每个节点自身具有一定的信息存储能力和数据分析能力，并且通过无线网络和相邻节点取得联系，可以对茶叶种植区实现复杂
监控。
2.2 系统的总体框架结构
无线传感器网络监测茶叶种植系统从功能上可以划分为数据采集层、数据处理层及远程客户端三层，采用的是典型的层次网络结构，如图1所示。最底层为数据采集层，部署着各种相关类型的传感器节点，接着是无线网络、基站，然后通过互联网连接到远程监控中心，并接入客户端用户。
不同类型的传感器节点收集周围区域的相关参数信息。节点部署均匀密集，能够确保覆盖所有种植区域并获得准确的数据;每个传感器节点通过自身的通信能力和数据分析能力，它们可以在监测区域内采用分簇的形式自组网络。首先选出若干个节点作为簇头节点，这些节点负责将区域内其他节点传送给它的数据进行收集、整理。在簇头与基站的通信过程中，协议引入网关gateway，即利用重叠区域的非簇头节点将相邻的簇头连接起来形成一个多跳路径，从而把采集到的相关参数信息由无线网络发送到基站上。基站则将所有数据通过互联网送达远程监控中心。远程监控中心提供远程数据控制服务，对连入网络的终端设备提供数据访问，或是向基站发出相应操作命令。
3 系统的关键技术
3.1 延长网络的生命周期
网络的生命周期是网络监测茶叶种植系统的关键的技术之一。传感器节点体积小、因为是由电池提供能量，所以能量有限，一旦出现供电不足的情况就会导致网络瘫痪，因此若与监测区的每个节点都保持数据的通信，则会消耗节点大量能量，导致网络不稳定，维持网络通畅的成本太高，在监测系统中，如何合理分配能量，尽量延长网络的生命周期就显得尤为重要。本监测系统从以下三个方面来实现节点能量管理：
（1）对无线传感网络进行层次划分，采用分簇组网方式，并在每个簇内通过相应的算法，选出一个节点作为簇头。簇内其他节点将数据发送给簇头节点，由簇头节点负责将收集到的数据经过一定处理后直接发送给网关节点，这样不仅减少了重复发送信息，造成信息冗余，而且还避免了信息发送时的大量能量损耗，延长传感器节点的使用寿命。这样节省了网络的能量消耗，是延长网络生命周期的有效途径之一。 　　无线传感器网络的拓扑算法有很多，就分簇组网方式而言，层次型网络的算法有LEACH[3，4]和HEED[5]自组织分簇算法、GAF[6]及改进的GAF[7]虚拟地理网格分簇算法以及TopDisc[8]等典型的拓扑控制算法，它们各有优劣之处。本系统设计将采用以LEACH算法为基点的基于可信度的簇间对跳LEACH算法——TEM-LEACH[9]。该算法不仅在对簇头选取方面做了改进，不再随机选取，而是将有较多剩余能量、可信度较高的节点成为簇头的概率提高，而且采用多跳方式引入了一个网关节点，通过网关节点将信息发送至基站，这种拓扑算法不仅有利于降低网络能量的整体消耗，而且在节点传输数据的过程中可以减少丢包率，提高数据的准确性。
（2）对连入网络的传感器节点采取定时唤醒机制。远程控制中心用户可以根据具体的天气环境，通过基站对传感器节点发送指令，设置节点采集数据的时间间隔。这样未被唤醒的传感器节点就进入休眠状态，有利于节点能量的保存，减少浪费。
（3）采用多路径路由方式。每个节点采集数据后，如果每次都按同一路径多跳方式将数据传送入簇头节点，那路径上的节点反复工作能量必然损耗过快，有可能会因为个别节点能量耗尽而使得全网数据传输中断。因此通过拓扑结构算法，将节点能量低于某一个参数值的节点的暂时从路径中排除出去，选取一个能量相对较高的节点来重新组成新的传输路径，这样网络中各个节点的能量利用相对平均，也有利于延长网络的生命周期。
3.2 网络系统的安全性
监测系统在监测过程中最基本的就是要保证网络的安全。网络系统的安全性可以从下方面来体现：
（1）安全路由
在茶叶种植监测过程中，各种类型的传感器节点距离较近，通过多跳传输的方式不仅节省了能量，同时也避免了长距离的传输过程带来的很多通信干扰。监测网络实时的路由技术，使得当一个传感器节点遭到外界破坏，剩下的传感器节点会及时重新组网，保证网络通畅，数据能及时的传输给远程客户端，及时响应异常。
（2）防止非法访问
防火墙技术在防止非法访问过程中起了很大的作用，其强大的3A功能使得TCP/IP协议和文件传输协议（FTP）的请求只有经过认证授权后才能和内部网络进行通信。管理员可以制定用户授权策略，决定用户可以访问哪些资源，能使用哪些命令。同时也可以决定有效的访问地址，屏蔽无效地址的访问。无线传感器节点间数据的传输采用量子密钥技术，既有助于提高密钥分配速率，还可以减少初始密钥的长度，有利于安全传输数据。该技术采用的是有针对性的一次一密码本的完全保密方法，可以保证数据通信安全，也可以为客户提供安全服务，即使网络遭到窃听，窃听者得到的信息也不准确，有效阻止网络遭到非法攻击。
（3）防止信息丢失
数据信息的完整是网络功能得以实现的基础。传感器节点不断采集数据至基站，通过互联网将数据传输到远程数据服务器，需要定期对数据库中的数据进行冗余备份，提高网络的容错能力。虽然传感器节点自身由电池供电，但是基站、远程服务器、客户端等网络设备都必须由电源供电，为了防止突然停电影响设备工作而造成的数据丢失，在网络系统中必须配置不间断电源（UPS），争取时间降低网络系统的影响。
4 结束语
该研究针对茶叶种植，提出了基于物联网无线传感器网络的种植监测系统，分析了系统主要实现的功能，建立系统的总体框架结构，并对系统的生命周期、系统的安全性等关键技术进行了设计。基本上实现了利用传感器网络完成种植过程中重要相关数据的采集，并进行相应的设备控制。系统实现的人机服务界面操作简单，用户可以通过电脑或手机获取最新的监测信息和预警信息，在一定程度上实现了茶叶种植的智能控制，为今后茶叶种植系统进一步发展奠定了基础。