李超然
（韩山师范学院计算机与信息工程学院，广东 潮州 521041）
当前，在无线传感器网络技术的支持与应用下，智慧茶园的设计与管理工作迎来了全新的发展局面。与传统的茶园环境监测不同，基于传感器技术的智慧茶园数据信息收集与整理，更加强调数据信息的真实性和准确性，可以快速感知周围环境的质量、太阳能资源的充足性、茶作物的品质等[1]。
1.1 系统概述
为确保茶园数据信息被更加便捷、科学、准确地收集与整理，基于传感器技术设计开发了一套行之有效的智慧茶园数据采集管理系统，可以对茶园的各类数据信息进行有效的监督与管理，提高种植与管理的准确性和可靠性。以传感器技术作为基础，提高管理的智慧化和科技化水平，能够显著提高智能助农、科技创收的意义，并为广袤的茶园管理工作提供核心技术支持[2]。
1.2 系统组成
基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统关键的组成部分有云端、物联网网关和传感器节点，通过关键技术手段使各组成单元形成联系，可动态性收集与整理茶园管理期产生的各类关键数据，评价茶作物的生长质量和管理效益，为保证茶作物健康长大提供支持。并且将收集整理的数据信息利用手机终端、计算机终端进行传输，利用可视化界面为广大用户提供图表等直观的展示，从而实现茶园管理效果。
1.3 系统功能
（1）动态性观察茶园环境。利用计算机终端或者是手机终端，动态性地对大气降雨量、土壤酸碱值、土壤温度值、光照强度、大气氧气含量、大气二氧化碳含量以及大气温度、湿度等进行检测。在通信技术的支持下，茶园的管理者可以凭借远程控制技术，在移动终端远程查看茶园环境。
（2）环境历史数据查询。茶园管理者可以根据自己的需求，按照系统的导航查询并阅读茶园历史环境数据信息，并对关键的数据信息进行保存。在进行检索时，可综合日期、关键词等多种方法快速抵达相应的数据位置[3]。
（3）预警与告警。基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统，在具体应用时可以通过设置完成各类关键参数值，实现对数据信息的监控。当茶园的环境变化导致数据超过设置的参数值界限时，系统将会按照其配置，利用手机信息、系统消息等多种途径将出现的问题及时反馈给管理者。
（4）视频监控。将高清摄像机安装设置在茶叶种植区域范围内，利用视频监控的方式动态性地对茶叶的病害情况、生长态势等进行实时监督与控制。当茶园没有专门的管理人员进行监督与管理时，农户可以在家视频进行远程监督，提高管理的便利性和效率。
1.4 系统特点
（1）基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统在进行监督管理时，可以实现全天候无人管理，在很大程度上降低了成本支出。
（2）基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统在进行监督管理时，并可实现远程监督与管理，确保管理更加集中，也能够实现规模化管理。
（3）基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统在进行监督管理时，可以保存收集与整理的数据信息，为后续的产品溯源提供数据支撑，使数据信息更加透明化。
以茶园的信息采集与整理的特征作为依据，设计传感器网络节点，综合电源模块、传感器模块、串口通信模块、无线通信模块、处理器模块，强化土壤水分含量、大气温湿度、茶园其他环境影响因素的采集力度，利用自组网的方式将收集整理的数据信息快速反馈到监督与控制中心，提高信息数据的传输效率[4]。
以茶园信息采集的需求作为依据，在检测大气温湿度时，选择使用瑞士公司生产的SHT11数字传感器；
在检测土壤中的水分含量多少时，选择使用锦州阳光科技有限公司生产的TDR-3传感器。各类传感器的技术参数如表1所示。
表1 各类传感器技术参数表
3.1 组成及任务调度
基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统，其搭载的操作系统为TinyOS系统，整个系统包括硬件抽象单元、通信单元、执行单元、感知单元、应用单元和操作系统单元，如图1所示。
图1 基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统框架
在硬件抽象单元中，其操作所实现的主要功能有驱动硬件执行以及处理硬件运行中断。在采集茶园关键数据信息时，通过连接通信单元、执行单元、感知单元、模块等，提高数据信息的收集效率和准确性，并将各类动作执行落实到实处，强化数据信息的传输与通信能力。应用单元在服务期间，可以以茶园的实际情况作为依据，与系统感知单元、通信单元和执行单元一起，实现数据信息采集管理系统的运行目标[5]。
基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统的操作系统能够实现以FIFO为基础的任务队列调度，初始化处理系统内的各类组件和硬件，通过控制其开始、启动、停止，完成相应的能量管理，实现管理监督任务的有效落实。当基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统在运行时，将会分出事件执行线程和任务执行线程两条线路，调度器在运行的时，硬件中断触发事件调度，事件相互间出现抢占的现象，而任务间并没有出现抢占现象；
当智慧茶园数据采集管理系统处于睡眠状态时，需要发生事件才可以将系统唤醒[6]。
3.2 通信协议设计分析
基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统，是以T-MAC协议作为基础而搭建的数据链路层协议，这种类型的协议在具体应用时，选择可以展开调节的休眠状态时隙和活动状态时隙，要求所有的数据信息在传输时，必须在后动状态时隙内完成。对持续时间进行动态性活动调节，可以有效保障网络负载始终保持良好的平衡状态，可控制将因为空闲监听所导致的节点能量消耗。通过更多的时隙分配，协议可以使处于休眠状态下的节点降低能量消耗，延长节点生命周期[7]。
T-MAC协议在数据发送时，主要采用RTS/CTS/DATA/ACK通信来实现，侦查并倾听节点周期性唤醒。例如，在固定的时间TA之内，若是系统运行没有出现激活事件，系统将会进入休眠状态。在所有的活动状态期间，协议在发送数据时将会以突发的形式完成。TA决定着所有周期最小的空闲侦听时间，最小空闲侦听时间的结果决定着T-MAC协议性能，在取值时，其约束为
式中，C为竞争时间长度；
R为RTS分组发送的时间；
T为RTS分组结束持续到CTS分组发出开始的时间。
因为智慧茶园数据采集管理系统的T-MAC协议在运行期间存在早睡问题，在解决该问题时可以选择使用满缓冲区优先的体制机制进行处理。以改进的洪泛通信协议作为依据设计节点网络层通信协议，该协议可以完成全网周期性睡眠调度处理工作，保证在更长的时间范围内节点处于睡眠状态，在此基础上实现节点协调处理工作[8]。
（1）洪泛协议做出改进。洪泛协议是协议的基础，当网络处于通信状态时，节点会把该数据包面向全网进行广播，一直持续到全网的所有节点全部接收到数据包。
（2）同步时间。为了实现T-MAC算法的功能，要求协议在全网同步的过程中进行休眠—活动—休眠，与此同时，要保证全网时间均保持同步状态。在协议中完成通过节点中Time0虚拟计算器编写任务，在网络中加入节点后，以汇聚节点的指令作为依据，启动上述编写完成的计时器，以时序作为依据实现休眠—活动—休眠工作循环。但因为不同的节点相互之间存在着不稳定传输、延时传输、晶振频率差等问题，从而导致节点间存在着时间非同步的现象。要想保持全网时钟具有同步性，协议可使用TPSN时间同步算法。
（3）网络拓扑，在网络中加入新过节点，要借助网络层完成处理任务。智慧茶园数据采集管理系统采用以下方法：当网络加入单节点时，大约每间隔3 s的时间将会传输一条请求加入网络的信息，之后进入侦听状态，时间大约为1 s，如此循环往复，一直持续到加入网络。此后，以汇聚节点作为依据的指令将上述计时器启动，保证时间同步，完成网络加入过程。
4.1 节点能耗
在进行设计节点时，总共选择使用7个节点完成系统处理。其中，有2个节点作为搭载SHT11传感器的节点，完成大气湿度信息和温度信息采集任务；
有4个节点搭载TDR-3传感器，完成对土壤中水分含量信息的采集任务；
有1个节点作为汇聚节点，将其连接到终端。为保证信息的准确性和实时性，数据信息采集的时间控制在每30分钟一次。设置nRF905最大的发送功率，经过30天的实验分析，对茶园的大气温湿度信息和土壤水分信息等展开测量，并对测量的信息进行记录。
4.2 通信丢包率
统计并整理30天时间内的数据包，结果如表2所示。
表2 网络丢包率
在本文的分析与研究中，设计了智慧茶园数据采集管理系统无线传感器网络节点，从硬件设计、软件设计、通信协议三个角度展开较为系统的分析。实验结果显示，基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统在采集茶园数据信息的时候，每间隔半个小时进行一次，在连续工作30天的情况下，平均每天节点的压降大约为1.5 mV，通信的有效距离最远可以达到150 m，网络丢包率为3.72%。基于传感器技术的智慧茶园数据采集管理系统设计，比较适合茶园信息采集，并且具有很小的能量消耗和较低的丢包率，适合在茶园等场景中长时间使用。■
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