基于OODA的能量采集型无线传感器及执行器网络系统应用

２０１７年７月　第４３卷第４期　西南民族大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｍｉｎｚｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｊｕ１．２０１７　

Ｖｏ１．４３　Ｎ０．４　

ｄｏｉ：１０．１　１９２０／ｘｎｍｄｚｋ．２０１７．０４．０１　１　基于ＯＯＤＡ的能量采集型无线传感器　

及执行器网络系统应用　

穆磊‘’　，陈建英‘，谈文蓉　，朱晖　，谭颖　西南民族大学计算机科学与技术学院，四川　成都６１００４１；２．电子科技大学计算机科学与工程学院，四川　成都６１１７３１）　摘要：无线传感器／执行器网络因为其感知能力与执行能力相结合的特点，非常适合精准农业应用．太阳能具有方便　采集、清洁、可再生等特性，是践行精准农业绿色可持续发展，减少资源消耗和保护生态的重要手段．基于观察（Ｏｂ—　ｓｅｒｖｅ）、定位（Ｏｒｉｅｎｔ）、决策（Ｄｅｃｉｄｅ）、执行（Ａｃｔ）的ＯＯＤＡ循环模型，将能量采集技术与无线传感器／执行器网络技术有　效结合，研究适合无线传感器／执行器网络系统的ＯＯＤＡ循环模型．在此基础上，提出一种能量采集型精准农业无线传　感器／执行器网络系统框架，分析其组成结构、工作模式，并给出部分软硬件的参考设计及设备选型．由于能量采集机　制和精准农业应用的独特性，提出了部分需要研究的关键技术，为下一步研究工作指明了方向．　关键词：精准农业；ＯＯＤＡ；能量采集；无线传感器执行器网络　中图分类号：ＴＰ２１２．９　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５－４２７ｌ（２０１７）０４－０４０２－０６　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｏＤＡ　ｌｏｏｐ　ＭＵ　Ｌｅｉ。一，ＣＨＥＮ　Ｊｉａｎ．ｙｉｎｇ’，ＴＡＮ　Ｗｅｎ．ｒｏｎｇ　，ＺＨＵ　Ｈｕｉ　，ＴＡＮ　Ｙｉｎｇ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｈ）ｇｙ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｍｉｎｚｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６　１　００４　１，Ｐ．Ｒ．Ｃ．；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６　１　１　７３　１，｝）＿Ｒ．Ｃ．）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ／ａｃｔｕａｔｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｉ）ｒ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｂｅ（　ａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｐｅｒ（’ｅｐ—　ｔｉｏｎ　ａｎＩ１　ｅｘｅｅｕｌｉｎｎ．Ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ．ｃｌｅａｎ．ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ａｎｄ　ｓ０　ｏｎ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐ，）ｒｔａｎｔ　ｍｅａｎｓ　ｔｏ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｔｈｅ　ｇｒｅｅｎ　ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｏｕｒ（、ｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆ）ｒｅ—　ｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｔ　ｔｈｅ　ｅｃｏｈ）ｇｉｃａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ＯＯＤＡ（Ｏｂｓｅｒｖｅ，Ｏｒｉｅｎｔ，Ｄｅｃｉｄｅ，ａｎｄ　Ａｃｔ）ｌｏｏｐ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｌｉｎｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅ］ｅｓｓ　ｓｅＹｉ—　ｓｏｒ／ａｃｔｕａｔｏｒ　ｎｅｔｗｅｒｋ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎｔＯ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ／ａｃｔｕａｔｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｂａｓｉｓ，ａ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｉ）ｒ　ｐｒｅｃｉｓｉｍ１　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｉｓ　ｐｒ，）Ｉ）ｏｓｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｉｎｏｄｅ　ｔｉｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．ａｎｄ　Ｉｈｅ【．Ｐｆ．　ｅｒｅｎｃｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｉｍ　ｌｉｖｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｌ‘ｉｓｔｉｃ　ｏ１　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｕｔｓ　ｆｉ）ｒｗａｒｄ　ＳＯＶ［）ｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｈ）ｇｉｅｓ　ｔ）Ｉ　ｔｈｅ　ｒｅ—　ｓｅａｒｃｈ．ｗｈｉｃｈ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｅｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｔＩｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒ（－ｈ　ｗｏｒｋ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔ）ｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ；ＯＯＤＡ；ｅｎｅｒｇｙ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

精准农业（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ）是近年来国内外　农业科学研究的热点领域，将传统的粗放生产变为精　细农作，同时减少资源消耗，保护生态环境　．准确实　时的作物信息数据是精准农业的前提和基础，必须依　

收稿日期：２０１７　一ｌ１　作者简介：穆瓢（１９８２一），男，汉族，讲师，博Ｌ，研究疗向：物联例技术及系统工程．Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｒｕｅｍｏｌｌｅｒ＠１２６．ｃｏｎｌ　基金项目：教　郧｝　科皋金项目（！］２ＹＪＡＺＨ００４）；四ＪＩＩ省应川甚础研究项日（２０１３ＪＹ００４１）；中央『岛饺　本科研、　务费　坝资　（２０１６ＮＺＹＱＮ２２）　第４期　穆磊，等：基于ＯＯＤＡ的能量采集型无线传感器及执行器网络系统应用４０３　赖先进的传感器采集作物的生长环境和基本状态，并　将采集的信息进行数据共享和数据传输，通过综合分　析处理后，采用相应的执行机构进行精细农作的控　制．随着越来越多的应用要求在环境状态感知的基础　上执行相应的动作，对环境状态进行适当的改变，无　线传感器网络／执行器网络（ＷＳＡＮ，Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）技术成为无线传感器网络技术　的重要发展趋势之一＿２　Ｊ，而其感知能力与执行能力相　结合的特点，非常适合精准农业应用．减少资源消耗和　保护生态也是精确农业的重要目标，能量是农业生态　系统赖以存在和发展的基础　Ｊ．太阳能因其方便性、可　再生性，是无线传感器网络与精准农业应用相结合，践　行绿色计算，实现可持续发展非常好的选择之一．　近年来，国内外精准农业及相关应用技术发展很　快，明尼苏达大学通过精准农业变量施肥节省了１／３　的氮肥，提高了农田产量　；加利福尼亚州Ｇｒａｐｅ　Ｎｅｔ－　ｗｏｒｋｓ公司通过精确控制葡萄园内各项指标使得酿造　的葡萄酒品质达到最佳　．天津市现代农业创新基地　在温室内安装使用智能灌溉控制系统，在作物产量和　品质不降低的情况下，较常规滴灌系统节水１５％一　２０％，节省了管理成本　；国家精准农业研究示范基　地采用先进农业技术进行生产，同等产量下总成本降　低了１５％－２０％，化肥、农药和灌溉用水量减少了　２０％－３０％ｌ６　Ｊ．新疆库尔勒棉花智能化滴灌示范区设　计并实现了棉花智能化微灌系统，与国外同类产品相　比，成本降低了４４．８％，与传统灌溉方式相比，作物水　分利用效率提高了２２．６％Ｈ　．　本研究结合精准农业智能应用背景，以ＯＯＤＡ循　环模型为基础，构建以太阳能为能量来源的能量采集　型无线传感器／执行器网络，实现根据作物实时环境　Ｏｂｓｅ￣ｅ　状态自适应智能作业，对基于物联网的精准农业应用　实现和推广起到积极作用．　

１　００ＤＡ与ＷＳＡＮ　ＯＯＤＡ循环模型是观察（Ｏｂｓｅ￣ｅ）、定位（Ｏｆｆ—　ｅｎｔ）、决策（Ｄｅｃｉｄｅ）、执行（Ａｃｔ）循环的缩写，是对体　系作战行动动态过程的一种高度抽象，由美国空军上　校Ｂｏｙｄ提出　Ｊ．ＯＯＤＡ循环是指在战斗中基于观察，　获取相关的外部信息，根据感知到的外部威胁，及时　调整系统，做出应对决策，并采取相应行动．敌我双方　的目标是，首先自己争取快速完成一个ＯＯＤＡ循环，　然后迅速采取行动，干扰、延长、破环、打断对方的　ＯＯＤＡ循环，从而获得战斗的主动权．　在大多无线传感器／执行器网络系统动态运作的　应用场景中，执行器与传感器协同和所处环境进行信　息交互，其动态交互过程符合ＯＯＤＡ循环模型：　应用系统通过传感器对目标对象进行观察（Ｏｂ．　ｓｅｒｅ），采集相关信息；根据应用需求，对后续决策处　理的目标和原则进行定位（Ｏｒｉｅｎｔ），准备决策所需数　据集，对采集的数据进行预处理，并初步进行分析；按　照应用决策处理的目标和原则对数据综合分析及决　策（Ｄｅｃｉｄｅ），提出优化控制策略；执行器（也称为反应　器）与物理系统或环境进行交互，其实质是一种转换　器，它能够接受信号并将其转化为一种物理行为，执　行（Ａｃｔ）优化控制策略，改变目标对象相关状态，从而　改变系统状态．　系统状态改变后，利用反馈机制，系统通过传感　器观察新状态下的相关参数，并不断重复ＯＯＤＡ的动　态循环过程，如图１所示．　

Ｏｒｉｅｎｔ　Ｄｅｃｉｄｅ　

Ａｃ｛　图１　无线传感器／执行器网络系统的ＯＯＤＡ循环　Ｆｉｇ．１　ＯＯＤＡ　Ｌｏｏｐ　ｉｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ