温室物联网系统设计与应用

    本书系统地介绍物联网技术在温室环境监测中的设计与应用的关键技术。书中分析温室环境测控系统的发展历程；介绍无线传感器网络结构模型的构建和三层次温室环境测控无线传感网络的开发过程、2.4GHz无线电波在温室大棚中的传播特性与基于事件驱动和数据融合的数据传输模型、面向温室环境测控的智能网关、数据同步和通用管理系统开发过程，以及基于温室环境时空特性的温室环境测控系统故障识别和诊断技术与方法。其研究结果可以为温室环境测控物联网的部署、设计和应用提供理论基础和技术支撑。

目录
丛书序
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 温室环境测控系统发展 1
1.1.1 直接数字控制系统 1
1.1.2 分布式控制系统 5
1.1.3 网络化控制系统 7
1.2 温室物联网系统 16
1.2.1 温室物联网系统技术体系 16
1.2.2 温室物联网系统应用 18
第2章 温室环境测控三层次无线传感器网络系统设计 24
2.1 温室无线传感器网络层次结构优化及结构模型确定 24
2.1.1 温室无线传感器网络系统层次优化 24
2.1.2 温室无线传感器网络层次优化仿真分析 29
2.1.3 温室三层次无线网络结构模型构建 30
2.2 温室无线传感器网络簇头节点优化及选取 31
2.2.1 温室无线传感器网络底层簇头节点优化 31
2.2.2 温室无线传感器网络簇内簇头选取机制 35
2.3 温室无线传感器网络系统设计 36
2.3.1 设计概述 36
2.3.2 底层传感器节点设计 37
2.3.3 基站节点设计 45
2.4 网络系统运行试验及结果分析 51
2.4.1 节点软件编译 51
2.4.2 硬件调试 51
2.4.3 系统运行试验及结果分析 53
第3章 温室无线传感器网络环境监测系统通信性能的研究 55
3.1 温室大棚2.4GHz 无线电波传播特性 55
3.1.1 试验设备 56
3.1.2 连栋温室无线电波传播特性试验 56
3.1.3 塑料大棚无线电波传播特性试验 62
3.2 基于事件驱动与数据融合的节能传输策略 67
3.2.1 温室节能数据传输模型 69
3.2.2 基于事件驱动的数据预处理试验 73
3.2.3 基于支持度函数的数据融合试验 76
3.3 温室无线传感器网络环境监测系统性能试验 79
3.3.1 系统构建方案 80
3.3.2 系统硬件系统 80
3.3.3 软件系统开发 82
3.3.4 监测系统性能测试 86
第4章 基于物联网的温室环境测控通用系统开发 92
4.1 基于Android系统的温室环境测控智能网关开发 94
4.1.1 温室环境测控系统结构 94
4.1.2 智能网关硬件平台 95
4.1.3 智能网关软件功能设计 95
4.1.4 运行试验 105
4.2 温室环境测控系统的数据同步 112
4.2.1 总体设计 112
4.2.2 同步过程设计 112
4.2.3 基于JADE平台的温室环境测控数据同步通信系统 118
4.3 基于GWT的温室环境测控应用开发 125
4.3.1 总体结构 126
4.3.2 基于GWT的温室环境测控应用软件开发 126
4.3.3 基于Android手机的温室环境测控应用软件开发 133
4.3.4 运行试验 134
4.4 草莓栽培环境智能监测系统运行与测试 137
4.4.1 系统部署 137
4.4.2 草莓栽培环境智能监测系统功能验证 140
4.4.3 系统性能验证 143
第5章 基于时空信息的温室环境无线传感器网络故障诊断 146
5.1 环境参数时空关联性研究 146
5.1.1 环境参数数据来源 147
5.1.2 环境参数时空特性 148
5.1.3 时空关联性预测验证 157
5.2 基于时空关联性的传感器故障识别与数据重构 164
5.2.1 传感器故障识别体系结构 165
5.2.2 基于 PCA 的传感器故障检测 165
5.2.3 传感器故障识别 169
5.2.4 故障识别方法验证 171
5.2.5 传感器故障诊断 175
5.2.6 传感器数据融合模型 176
5.2.7 故障数据重构 181
5.3 监测系统数据传输网络故障诊断 183
5.3.1 无线传感器网络故障诊断 184
5.3.2 基于参考广播同步机制的时间异步处理 186
5.3.3 数据异步诊断 188
5.3.4 功能验证 194
5.4 温室环境无线监测系统运行与故障测试 198
5.4.1 智能网关软件功能设计 198
5.4.2 故障诊断系统的软件功能验证 199
5.4.3 故障注入诊断实验 201
参考文献 206
索引 225

    章绪论
    1.1 温室环境测控系统发展
    温室环境测控系统是利用覆盖材料与维护结构将温室和露地隔开的一个半封闭的系统。这个系统时刻与外界进行物质和能量的交换，温室内的环境条件同时受到外界气候和内部设施的影响。作物的生长发育对环境条件都有一定的要求，但是温室内的环境条件因为受到外界气象条件的影响和设施所能提供的条件的，因此在作物整个生育期中，温室设施的条件往往不可能接近满足作物的需要。这就要求在进行温室环境调控的过程中必须根据作物需要的综合的动态环境和外界的气象条件，采取必要的综合环境调节措施，把多种环境因素，如光照、温度、湿度、CO2 浓度等都维持在适合作物生长发育的水平，从而达到优质、高产和高效的目的 (李萍萍和李冬生，2011)。
    计算机技术、网络通信技术和微电子技术的不断发展，促进了测控系统在体系结构、单元部件和测控技术方面的一系列变革，使得测控系统从单机控制系统向网络化、集成化、分布式和节点智能化发展。温室环境测控系统的发展与计算机控制系统发展历程相似，先后经历了直接数字控制 (direct digital control，DDC) 系统、分布式控制系统 (distributed control system，DCS) 和网络化控制系统 (networkcontrol system，NCS) 三个主要控制方式 (俞立和张文安，2012)。
    1.1.1 直接数字控制系统
    直接数字控制 (DDC) 是用一台计算机对被控参数进行检测，再根据设定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构对生产进行控制，使被控参数稳定在给定值上。利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功能数字控制系统，在温室环境测控系统中，主要是通过温室环境参数传感器采集温室内温度、湿度、光照强度、CO2 浓度、土壤温度、含水量以及室外气象数据，通过计算机对温室的通风系统、遮阳系统、降温系统、加温系统以及灌溉设备等执行机构进行控制，从而实现对温室环境的控制。其中核心的计算机系统主要包括单片机系统、可编程逻辑控制系统和工业控制计算机等 (周祖德，2004)。
    1.1.1.1 单片机测控系统
    单片机 (microcontrollers) 是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 (CPU)、随机存储器 (RAM)、只读存储器(ROM)、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从 20 世纪 80 年代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 300M 的高速单片机。
    图 1.1 为中国知网 (CNKI) 中用关键词 \温室" 和 \单片机" 检索的结果，1986 年开始出现第 1 篇相关文献 (崔绍荣和姚庆祥，1986)，从 2007 年到 2017 年相关文献均在 50 篇以上，表明基于单片机的温室环境测控技术在近 10 年来一直伴随着单片机技术的发展而发展。
    图 1.1 "温室" 和 "单片机" 文献检索结果
    单片机经历了单片微型计算机 (single chip microcomputer，SCM)、微控制器(microcontroller unit，MCU) 和片上系统 (system on chip，SoC) 三大阶段。早期的SCM 都是 4 位或 8 位的，其中很成功的是 Intel 的 8051，此后在 8051 的基础上发展出了 MCS51 系列 MCU 系统。基于单片机的温室环境测控系统也是从 51 系列单片机的基础上发展和应用的 (王遗宝等，1986；任振辉等，2001；郭茂龙和徐学华，2003；李俊和杜尚丰，2006；张智和邹志荣，2006；李喜武等，2007；Santamourisand Lefas，1986)，目前仍然在温室控制系统中应用。其基本结构如图 1.2 所示，核心是单片机芯片及其配套的存储器、键盘输入输出、显示输出和通信模块等，由于早期的传感器大多为模拟量，因此在采集数据时需要通过数据转换模块和 A/D 转换将传感器采集的模拟量信号转换为数字量信号；单片机根据采集的环境参数进行决策控制，通过 I/O 接口输出控制信号，以实现执行机构的控制。
    图 1.2 基于单片机的温室环境测控系统结构框图
    利用计算机进行数据管理和参数设定，利用单片机与微型计算机之间的通信，从而实现了主从式的温室环境控制，扩展了温室环境测控的功能，并通过计算机进行复杂的智能控制算法和基于模型的决策等功能，将控制参数发送给单片机实现智能控制 (李俊和杜尚丰，2006；纪建伟，2001；郭改枝等，2003；汪小旵和丁为民，2001)。
    随着 Intel i960 系列，特别是后来的 ARM 系列的广泛应用，32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。这一阶段，温室环境测控系统也得到快速发展，ARM 单片机系统可以实现复杂的模型和算法技术，提升了温室环境测控系统的功能，可以实现温室环境的智能测控 (焦哲勇和程友联，2007；王石磊等，2008；刘宝钊等，2014；王立舒等，2014；苗凤娟等，2015)。当代单片机系统已经不只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上，甚至可以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系统，也就是片上系统 (SoC)。片上系统可以独立运行，并可以实现基于 Web 的远程测控功能 (张艳鹏和张博阳，2015；贺婷婷等，2013；Gao and Du，2011)。近年来快速发展的无线传感器网络技术也是以单片机为核心进行数据采集和环境控制的 (飞等，2012；魏丽静等，2013；李墨雪等，2006；王银玲和孙涛，2011；张西良等，2007b)。
    1.1.1.2 可编程逻辑测控系统
    可编程逻辑控制器 (programmable logic controller，PLC) 是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的设备或生产过程 || 可编程逻辑控制器(可编程控制器件)。PLC 编程多采用继电器控制梯形图及命令语句，具有编程简单、逻辑性和可靠性高、输入/输出功能模块齐全等优点，而温室环境控制设备主要是继电器控制，因此基于 PLC 的温室环境控制系统得到实际生产应用。图 1.3为中国知网 (CNKI) 中用关键词 \温室" 和 \PLC" 检索的结果，自 2000 年开始出现利用 PLC 进行温室控制的研究工作 (何世钧等，2000)。
    图 1.4 为基于 PLC 的温室环境测控系统架构，其核心为可编程逻辑控制器，通过数据采集模块实现环境参数的采集，通过核心计算模块实现环境控制，通过I/O 输出模块驱动执行机构动作，实现温室环境参数的自动控制。早期的 PLC 只有开关量逻辑控制，以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令，并通过数字输入和输出操作来控制各类设备的动作。为了实现温室环境信息采集，把所有的输入都当成开关量处理，在输入时将输入 16 位 (也有 32 位的) 为一个模拟量，大型 PLC 使用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算，把计算结果送给 PLC 的控制器 (宋健，2004；陈国辉和郭艳玲，2005；吴洪涛，2006；王志国等，2013；谢向花，2009)。
    图 1.3 "温室" 和 "PLC" 文献检索结果 (空心圈表示预测值)
    图 1.4 基于 PLC 的温室环境测控系统架构 (何世钧等，2000)
    近年来，PLC 系统的硬件价格逐年降低，特别是在组态软件与 PLC 结合后，降低了软件开发成本，基于 PLC 的温室环境测控系统开发变得更为简单方便 (张馨等，2010；张西良等，2007c；郭东平和赵媛，2016；张伏等，2014；于足恩和卢金满，2005；冯毅和吴必瑞，2015；薛文英等，2011；谢守勇等，2007)。随着网络技术的发展，可编程控制器和计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向，可以实现大规模温室群的分布式网络化控制 (S.rensen et al.， 2011；Wanget al.， 2016；汤泽锋等，2017；姚琦和赖忠喜，2015；康东等，2009)。
    1.1.1.3 计算机测控系统
    计算机控制系统 (computer control system，CCS) 是计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。目前用于温室环境控制的计算机以微型计算机为主，辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系，其架构如图 1.5 所示。由于计算机的输入和输出是数字信号，而现场采集到的信号或执行机构的信号大多是模拟信号，因此计算机控制系统需要有数/模转换器和模/数转换器这两个环节。
    图 1.5 基于计算机的温室环境测控系统架构图 (毛罕平和李萍萍，1996)
    早期的计算机控制系统主要是利用微型计算机，如工业控制计算机或者个人计算机，通过计算机插槽型数据采集和控制卡直接实现温室环境参数采集与控制(毛罕平和李萍萍，1996；崔作龙等，2003；冯磊等，2006；滕华强等，2008)；或者是计算机作为上位机，与单片机、PLC 等现场测控单元通信，根据现场终端采集的环境参数，计算机基于模型和智能算法实现温室环境参数的智能控制 (纪建伟，2001；汤泽锋等，2017；裘正军等，2002；彭桂兰等，2002；张梦麟和李念强，2007；任玉灿等，2012)。随着以 LabView 为主的虚拟仪器技术的发展，基于虚拟仪器的温室环境测控系统开发使得基于计算机的温室环境测控系统的开发更为简单快捷 (王文娣等，2007；刘义飞等，2015；张为，2010；陈海生等，2005)。
    1.1.2 分布式控制系统
    分布式控制系统 (DCS) 也称集散控制系统，是对生产过程进行集中管理和分散控制的计算机控制系统，是随着现代大型工业生产自动化水平的不断提高和过程控制要求日益复杂，应运而生的综合控制系统。它集成了计算机技术、网络技术、通信技术和自动控制技术，系统采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则，具有层次化的体系结构。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机 (computer)、通信 (communication)、显示 (CRT) 和控制 (control) 等 4C 技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。图 1.6 为中国知网 (CNKI) 中用关键词 \温室" 和 \分布式" 或 \温室" 和 \集散" 检索的结果，1999 年开始出现温室分布式测控系统的研究工作，到 2006 年，这一期间针对分布式系统的研究较多，由于无线传感器网络系统架构的引入，结合分布式系统与无线传感器网络的优点实现了温室环境分布式测控系统 (孙茂泽，2016；应新永，2006；丁飞等，2010；鲍军民，2007；王书志等，2006；张西良等，2007a；戚山豹，2015)。
    图 1.6 关键词 \温室" 和 \分布式" 检索文献结果
    温室环境分布式测控系统早期是以 RS-232 (李星恕，2003) 或 RS-422 (朱伟兴等，1999) 总线与计算机连