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物聯(lián)網(wǎng)(Internetofthings)的概念是在1999年提出的，2005年國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)榷了《ITU互聯(lián)網(wǎng)攝告2005：物聯(lián)霹》將之定義鴦?shì)喽麽屝畔鞲性O(shè)備葛踅聯(lián)網(wǎng)結(jié)合藏宋而形成的一個(gè)臣大網(wǎng)絡(luò)．奧巴馬就任美國(guó)總統(tǒng)后在一次會(huì)議上表示：“經(jīng)濟(jì)刺激資金將會(huì)投入到寬帶網(wǎng)絡(luò)等新興技術(shù)中去，毫無疑問，這就是美國(guó)在21世紀(jì)保持和奪回競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的方式n噸]．”激家寶總理2009年指出，要大力培育戰(zhàn)略性毅興產(chǎn)照，攘抉物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用并將“發(fā)麟物聯(lián)網(wǎng)，促進(jìn)倍感化”作當(dāng)年“兩會(huì)”期間為討論的主題之一．

當(dāng)前世界各豳都投入了大鬣的人力和物力開展物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究，也取得了很多成績(jī)．丹麥運(yùn)輸公司采用IBM的傳感器技術(shù)允許園藝供應(yīng)鏈中的參與者跟蹤鮮花和盆栽植物的運(yùn)輸進(jìn)度(從種植者到批發(fā)商，到零售商，遍及歐洲40個(gè)國(guó)家)．整條運(yùn)輸鏈的各方公司都可以利用傳感器對(duì)運(yùn)輸?shù)臈l件和氣候進(jìn)行跟蹤．使運(yùn)輸過程更加透明．英國(guó)的Pachube允許給現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界中的物品、設(shè)備、建筑和環(huán)境添加標(biāo)簽，并分享即時(shí)傳感器信息[3]．

我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)方面也展開研究，并取得了很好的成果．無錫傳感網(wǎng)中心的傳感器產(chǎn)品在上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)和上海世博會(huì)被成功應(yīng)用，這套設(shè)備由lO萬個(gè)微小的傳感器組成，散布在墻頭墻角墻面和周圍道路上．傳感器能根據(jù)聲音、圖像、震動(dòng)頻率等信息分析判斷，爬上墻的究竟是人還是貓鼠等動(dòng)物．遠(yuǎn)望谷開發(fā)的完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的XC型鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中國(guó)鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，在鐵路貨車使用費(fèi)用清算中實(shí)現(xiàn)了精確統(tǒng)計(jì)貨車數(shù)量；消除了鐵路運(yùn)輸調(diào)度管理的盲區(qū)，提高列車正點(diǎn)率．

然而我國(guó)當(dāng)前在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上做的工作還比較少．本研究結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，對(duì)于農(nóng)業(yè)安全管理、產(chǎn)品溯源都有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義．

1材料與方法

1．1概述

物聯(lián)網(wǎng)有3個(gè)特性：全面感知、可靠的傳送和智能作用[4]，其控制特性與傳感器網(wǎng)絡(luò)‘51有很大不同，主要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可控性，而傳感器網(wǎng)絡(luò)則強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可觀測(cè)性．因此將傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)組成部分接入時(shí)就必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，使之適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的要求．物聯(lián)網(wǎng)包括3個(gè)層次：1)傳感網(wǎng)絡(luò)，即以二維碼、RFID、傳感器為主，實(shí)現(xiàn)‘物’的識(shí)別；2)傳輸網(wǎng)絡(luò)，即使通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與計(jì)算；3)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，即輸入輸出控制終端，可基于現(xiàn)有的手機(jī)、個(gè)人電腦等終端進(jìn)行‘…．

本研究中，物聯(lián)網(wǎng)中的“物”包括4種：農(nóng)田(棉田、麥田與玉米地)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理終端和智能手機(jī)．構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的目的是將這4種“物”連接起來，使農(nóng)田能夠成為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)可觀測(cè)終端，在此一共包括3個(gè)層面的連接：

1)直接測(cè)量．通過傳感器網(wǎng)絡(luò)采集溫濕度和光照；通過數(shù)據(jù)管理終端歸納并管理采集到的數(shù)據(jù)；并通過智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看、分析與管理．

2)多源數(shù)據(jù)集成．將當(dāng)前已建成的氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)與大環(huán)境數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使研究人員能夠通過此網(wǎng)絡(luò)更好地了解農(nóng)田各參數(shù)之間的關(guān)系．

3)數(shù)據(jù)的開放與共享．利用WebService將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)開放出去，使之可以為更廣泛的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持．例如為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提供地面數(shù)據(jù)支持等．

1．2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與部署

網(wǎng)絡(luò)由3部分構(gòu)成：精準(zhǔn)灌溉傳感器節(jié)點(diǎn)——用于采集空氣溫度、土壤濕度和光照強(qiáng)度，并為鄰居節(jié)點(diǎn)提供路由；數(shù)據(jù)服務(wù)提供者——在服務(wù)器上部署相關(guān)服務(wù)，用于連通網(wǎng)內(nèi)成員，并對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)；數(shù)據(jù)管理終端——包括智能手機(jī)、B／S數(shù)據(jù)管理網(wǎng)頁(yè)和C／S客戶端，用戶可通過不同方式查看服務(wù)器上的數(shù)據(jù)．系統(tǒng)在新疆與北京分別部署，服務(wù)器設(shè)在北京．在北京主要監(jiān)測(cè)種植春小麥和夏玉米的農(nóng)田，采集土壤濕度、空氣溫度和光照，并由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)記錄噴灌機(jī)行進(jìn)數(shù)據(jù)；由于新疆采用滴灌，故僅采集棉田土壤濕度、空氣溫度和光照，人工記錄灌溉時(shí)間與灌溉量．通過B／S網(wǎng)頁(yè)或分布部署在智能手機(jī)和電腦上的C／S客戶端，用戶可以遠(yuǎn)程查看農(nóng)田參數(shù)與農(nóng)機(jī)使用情況，分析數(shù)據(jù)以提高灌溉效率．

1．3軟硬件配置

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心的FieldwSNs(農(nóng)田環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))，載波頻段433MHz，實(shí)際部署時(shí)節(jié)點(diǎn)間距50～100m，每子網(wǎng)包含20個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成對(duì)等網(wǎng)．土壤含水率傳感器采用ECH20水分傳感器，工作電壓為2．5V．

由于部署網(wǎng)絡(luò)區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣，為方便部署傳感器節(jié)點(diǎn)采用4節(jié)1．5VAA電池供電，通過穩(wěn)壓芯片t作電壓3．0V；節(jié)點(diǎn)MAC層采用CSMA／CA協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層采用洪泛協(xié)議；在能量管理上采用休眠／同步機(jī)制，使全部節(jié)點(diǎn)同時(shí)工作而后同時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量，通訊時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)層的洪泛機(jī)制進(jìn)行全網(wǎng)同步[7]．

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能供電，工作電壓12V；為保證網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在雨季也能正常工作，蓄電池容量為12Ah．

基于智能手機(jī)的移動(dòng)終端采用WindowsMobile操作系統(tǒng)，通過WebService與服務(wù)器相連．主要目的是：1)在部署時(shí)以機(jī)載GPS定位節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)位置信息上傳至服務(wù)器；2)在現(xiàn)場(chǎng)查看網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，方便部署與維護(hù)；3)方便管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)田參數(shù)、人員工作狀態(tài)與農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)．

1．4數(shù)據(jù)服務(wù)的設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)在外部看來是網(wǎng)絡(luò)化的傳感器，更強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的采集，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可觀測(cè)性【8]．在傳感器網(wǎng)絡(luò)中觀測(cè)的對(duì)象是傳感器采集到的數(shù)據(jù)、傳感器的工作狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)的連接情況．而物聯(lián)網(wǎng)則強(qiáng)調(diào)各個(gè)相連的事物之間的連通性，以及系統(tǒng)的可控性，物聯(lián)網(wǎng)中傳感器網(wǎng)絡(luò)是連接觀測(cè)者與被觀測(cè)對(duì)象的渠道．因此，需要對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以觀測(cè)者需要的形式出去．主要包括2部分服務(wù)：濾波和插值和．觀察者可以訪問通過這些服務(wù)了解被觀測(cè)對(duì)象，這一過程對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)而言是透明的．

1．5數(shù)據(jù)濾波

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)在傳感器端沒有作濾波，可能會(huì)有一些奇異數(shù)據(jù)被采集回來，在一般使用中需要進(jìn)行濾波，只觀測(cè)臺(tái)理可靠的數(shù)據(jù)．在一些特殊的應(yīng)用中，特別關(guān)心奇異數(shù)據(jù)，也可以通過濾波服務(wù)獲取這些奇異數(shù)據(jù)．為方便計(jì)算，采用簡(jiǎn)單的平滑濾波∽j．#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

平滑濾波的目的是在不影響低頻率分量的情況下減弱或消除圖像中的高頻率分量并將觀測(cè)值中的細(xì)小中斷連接起來．處理后的任一輸出值弧均為觀測(cè)值≈與相鄰元素運(yùn)算后的結(jié)果，如式(1)所示：Yk=≥：口：zf，

(1)t=FN濾波窗寬度為2N，ai為加權(quán)系數(shù)，k為濾波窗中值．

為方便計(jì)算采用矩陣表達(dá)，可得y=IA】X／n，

(2)其中l(wèi)，為輸出向量，x為輸入向量，Ea-1為濾波矩陣，n為平均值參數(shù)．

針對(duì)不同情況可以使用線性平滑濾波和加權(quán)平滑濾波，線性濾波的濾波矩陣為行列元素皆為1的7階矩陣，n為7；加權(quán)濾波的濾波矩陣為行向量為[1，6，15，20，15，6，1-1構(gòu)成的矩陣，以為64．

對(duì)應(yīng)服務(wù)為record[]DataProcess．Smooth(Datetimestart，Datetimeend，boollinear)，其中start為起始時(shí)間，end為終止時(shí)間，linear為線性濾波標(biāo)志，返回值即為濾波后的輸出值．

1．6插值分析

如果觀測(cè)者僅能獲得傳感器所在位置的數(shù)據(jù)，就無法體現(xiàn)被觀測(cè)的農(nóng)田與觀測(cè)者的關(guān)系，因此有必要對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，將空間插值后的數(shù)據(jù)提供給用戶，使觀測(cè)者只需輸入位置信息即可獲得所需的數(shù)據(jù)．因?yàn)橥晦r(nóng)田中的溫度、濕度和光照都是連續(xù)變化的，所以采用插值分析獲得的數(shù)據(jù)是可信的．插值方法采用簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)插值和全圖距離倒數(shù)插值2種．

1．6．1兩點(diǎn)插值

兩點(diǎn)插值又叫線性插值，取最近的2個(gè)點(diǎn)A，B的觀測(cè)值為參考值，計(jì)算任意點(diǎn)的值．y一絲堅(jiān)≯盟，(3)L其中L為最近兩點(diǎn)距離，z。為插值點(diǎn)距A點(diǎn)距離，z：為插值點(diǎn)距A點(diǎn)距離，Y。為A點(diǎn)觀測(cè)值，Y：為B點(diǎn)觀測(cè)值．兩點(diǎn)插值非常簡(jiǎn)單，而且不受其他點(diǎn)干擾，通常在部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)用于校驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)傳感器工作情況．

1．6．2全圖距離倒數(shù)插值

兩點(diǎn)插值計(jì)算簡(jiǎn)單，但是缺乏連貫性，每次參考點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)插值結(jié)果會(huì)跳變，因此提供全圖距離倒數(shù)插值服務(wù)，用戶可以任意選用插值方法．全圖距離倒數(shù)插值公式如下‘10]：3，一∑暑／∑z1，

其中zi為觀測(cè)點(diǎn)i的觀測(cè)值'rl為觀測(cè)點(diǎn)到插值點(diǎn)的距離，n為觀測(cè)點(diǎn)集的規(guī)模．對(duì)應(yīng)服務(wù)double[]DataProcess．getValue(doublelongitude，doublelatitude，boolsimple)，其中l(wèi)ongitude為插值點(diǎn)經(jīng)度，latitude為插值點(diǎn)緯度，simple為兩點(diǎn)插值標(biāo)志，返回值即為插值點(diǎn)濕度、溫度和光照觀測(cè)值．

2結(jié)果與分析

網(wǎng)絡(luò)被部署在新疆哈密、石河子和北京，圖2為新疆石河子的網(wǎng)絡(luò)實(shí)際部署圖．為保證通信質(zhì)量，傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)被部署在2m左右的支架上．

由于距離較遠(yuǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)須通過多跳方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，實(shí)驗(yàn)中跳數(shù)最大為6，通信距離400m左右． 

傳感器網(wǎng)絡(luò)在4個(gè)月中采集到大量的數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的服務(wù)，可以采集區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的數(shù)據(jù)曲線．

用戶觀測(cè)的對(duì)象由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楸挥^測(cè)對(duì)象，可以通過選擇位置直接獲得觀測(cè)值．展示了哈密實(shí)驗(yàn)田中經(jīng)緯度與石河子實(shí)驗(yàn)田的土壤濕度和光照曲線，在7月4日至7月5日哈密經(jīng)歷了一場(chǎng)降雨，在降雨期間光照強(qiáng)度急劇下降，而土壤濕度則迅速攀升直到夜間降雨停止?jié)穸炔砰_始回落．而石河子則是多云問陰的天氣光照強(qiáng)度發(fā)生變化，而土壤濕度則基本持平．

通過相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)，用戶可以使用裝在手機(jī)上的移動(dòng)客戶端訪問網(wǎng)絡(luò)．定位系統(tǒng)包括2部分內(nèi)容：1)利用手機(jī)GPS進(jìn)行定位，通過服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)記錄節(jié)點(diǎn)經(jīng)緯度，并提交服務(wù)器．2)通過服務(wù)獲取網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)位置及其數(shù)據(jù)，通過插值算法將數(shù)據(jù)與位置關(guān)聯(lián)起來，為用戶提供直接的數(shù)據(jù)支持．此時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶完全透明，用戶可以直接獲取自己所關(guān)心的位置的農(nóng)田參數(shù)．