AID：基于无线传感网的农业入侵检测原型外文翻译资料

 2022-12-26 19:56:10

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本科生文献翻译

题 目 AID：基于无线传感网的农业入侵检测原型

IEEE ICC 2015通信软件、服务和多媒体应用研讨会

AID：基于无线传感网的农业入侵检测原型

Sanku Kumar Roy, Arijit Roy, Sudip Misra Narendra. S. Raghuwanshi Mohammad S. Obaidat

School of Information Technology Agricultural and Food Fellow of IEEE, Fellow of SCS

IIT Kharagpur Engineering Department Dept. of Computer Science and

Kharagpur 721302, India IIT Kharagpur Software Engineering

Email:sankukumarroy@gmail.com Kharagpur 721302, India Monmouth University

{arijitr, smisra}@sit.iitkgp.ernet.in Email: nsr@agfe.iitkgp.ernet.in West Long Branch, NJ. USA

Email: obaidat@monmouth.edu

摘要：在许多发展中国家，农业是老百姓的主要谋生方式。农业需要通过各种科学方法来提高作物产量。农田周围的动物对农作物的侵袭和人类的偷盗行为会对农作物的生长造成重大损失。针对这种情况，我们提出了一个基于无线传感网络（WSN）的农田入侵检测硬件原型，这个系统命名为农业入侵检测（AID）。当有入侵者闯入农田时，AID能够在农民屋中发出警报，同时发送一条短信息至农民的手机。为了实现该系统，我们在室外环境下设计并部署了基于AVR单片机的无线传感器板并对其性能进行了评估。

关键字：无线传感网络；入侵检测；基于AVR单片机的无线传感板；

I．引言

微型机电系统（MEMS）技术的迅速发展带动了无线传感网络（WSN）技术的出现。在无线传感网络中，传感器节点感知一些物理现象，并将监测到的数据发送至接收设备。无线传感网络广泛应用于农业、目标追踪、健康状况监测、野生动物寻迹等各种领域[1]-[3]。基于无线传感网络功能的局限性，传感器节点通过单一或者多跳连接的方式发送数据至接收设备[4]–[7]。

农业生产是发展中国家最重要的资源之一。目前，WSN技术在农业领域被广泛应用于不同的用途。在农田中，部署好的传感器感应它们周围农田不同的物理现象，例如温度、湿度、水位等。之后，通过单一或多跳连接将监测的数据发送至接收或者汇聚设备。收集到数据后，由农民做出不同的决策。由于农业领域的盗窃行为往往会造成巨大经济损失，并阻碍作物的高效生产，针对这种情况，我们提出了一个基于无线传感网络技术的农田入侵检测原型。在该原型中，农民的手机可以接收到短信息，并且当有任何入侵者闯入他/她的农田时会发出报警信号。为了实现这个原型，我们开发了基于AVR单片机的无线传感网络板。每个板包含两种类型的传感器：(a)被动式红外传感器（PIR）和(b)超声波传感器。

A．目的

农业生产是发展中国家的重要收入来源。无线传感网络技术已经在不同类型的农业检测中应用了数年，一片农田中的温度、湿度和降雨等物理现象都能被无线传感网络技术监测。目前在许多国家，偷盗农作物是一个严重影响种植效率的问题。很少有统计报告通过不同来源对农业损失进行总结[8]。因此，为了给农田提供入侵保护，我们设计了一个农田入侵检测原型。该模型既可以让农民收到短信息，又能够在入侵者闯入农田时报警。

B．组成

在这项工作中，我们提出了一个应用在农业领域的入侵检测系统，其具体功能如下：

(i)我们设计了一个入侵检测系统的原型，当有入侵者闯入农田时，在农民屋中发出警报并触发文本短信的生成和传输。

(ii)为了进行原型实验，我们开发了基于AVR单片机的无线传感器板。

(iii)我们提供实现的原型在一块农田实地观察的结果。

本文的其余部分内容如下：第二节介绍此工作的相关技术。第三节描述了用于设计该原型的板。入侵检测原型的设计在第四节体现。第五节叙述该系统的实验结果。最后，我们在第六节对我们的工作进行了总结。

II．相关工作

农业生产是一项重要资源，特别是在发展中国家。技术的进步促进了世界农业的发展。新的技术，例如地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、无线传感网络（WSN）和遥感（RS）被广泛应用于农业生产。无线传感网络在农田不同信息采集中发挥着重要作用。Wang et al.[9]探讨了无线传感网络在农业中的适用性。根据作者的表述，无线传感网络应用于不同目的的精准农业，例如空间数据采集、精准灌溉、变速技术、数据提供等。此外，他们还讨论了如何将无线传感网络应用于农业环境和天气监测。Konstantinos et al.[10]报告了无线传感网络应用在农业中的一些优势，例如它可以长时间地监测农田、进行远程决策及基于GUI的监控系统。Pierce et al.[11]开发了面向地区和企业的传感器网络，以监测空气温度在霜冻/冻结保护事件。作者考虑了两种类型的节点：基础节点和汇聚节点。基础节点部署为星型拓扑结构，这些节点从环境中收集数据并传递给汇聚节点，汇聚节点进一步连接到计算机，最终收集到的数据由计算机上的AgFrostNet软件使用。Shu-ming et al. [12]发明了作物水压声发射信号监测原型。在该原型中用到了MicaZ 节点和MTS310传感器模块。作者提出了一种簇间多跳路由。Lilly et al. [13] 开发了基于WSN的土壤性质和施肥水平监测系统，通过该系统，作者试图监测土壤性质、施肥量、该地区的水量Gutierrez et al. [14]开发了一个自动灌溉系统，自动优化农业领域的水位。在这个系统中，两种类型的传感器被放置在植物的根部。

在现有的文献中，农业方面不同的无线传感网络应用被提及，然而这些作者们忽略了入侵者在农业领域的盗窃问题。在这里，我们将入侵者的闯入作为一个重要的问题，并设计了入侵检测系统的原型。

III．基于AVR单片机的无线传感器板

为了演示我们设计的原型，我们开发了基于AVR单片机的无线传感器板。这些板能够感应事件并通过单一或多跳连接将监测到的数据发送至接收器。每块板子的主要组成部分有：

1）微控制器ATMEGA324PA-PU

2）ZigBee（IEEE 802.15.4）

3）液晶显示器（LCD 16x2）

4）传感器

a）被动红外（PIR）传感器

b）超声波传感器

图1 基于AVR单片机的无线传感板

这些AVR单片机无线传感器板的传感器通过微控制器的处理感应环境中的一些物理现象。此外，ZigBee作为板子的无线发射单元。LCD用于显示实验的不同活动。每个板有一个内置电子可擦除可编程只读存储器（EEPROM）的微控制器，能够存储任何临时数据。因此，这些功能板作为完整的传感器“节点”提供两倍的服务-（a）作为一个传感单元感测在部署区域内的任何入侵者，及（b）感应到入侵者闯入农田后，通知农民。传感器节点如图1所示。

IV．入侵检测系统

在原型设计中，即农业入侵检测原型，传感器节点负责监测入侵者闯入农田。在入侵者闯入农田后，检测到的信息通过其他中间节点或直接发送到接收器。接收器进一步通过手机短信提醒农民。随着短信发出，一个安置在农民屋内的报警设备产生警报。这个警报和短信代表有入侵者闯入农民的农田。

图2 AID的分层

如图2所示，农业入侵检测原型基于它的功能，有四层架构。第1层是由两种类型的感知活动组成，即通过被动红外传感器（PIR）和超声波传感器感应。当入侵者进入农田，红外传感器检测到入侵者，节点随之被激活。之后，超声波传感器测量从边界到入侵者的距离。红外和超声波传感器检测到的数据由第2层微控制器处理。检测到入侵者后，通过ZigBee（IEEE802.15.4）协议，信息经由单一或多跳连接传输到接收器。从节点到接收器的路由信息由第3层负责。最后，在第4层中，GSM技术被用来生成短信到农民的手机，同时，在农民的屋内产生警报。通过接收短信和警报，农民能够得知入侵者闯入的信息。

A．部署方案

我们在一个边长36米的正方形的农田部署了20个传感器节点。最初，所有的节点都处于休眠状态。一旦任何入侵者闯入农田，节点就会被激活。我们的目标是检测试图进入农田的入侵者。入侵者可能是动物、人或车辆。所有部署的传感器节点通过无线链路彼此连接形成网络。每个部署的传感器节点都能够自动调整其四级功率电平。因此，通过调整功率电平，节点的通信范围可以设置为四个等级。传感器节点的最大通信范围由R表示。

图3 AID示意图

每个传感器节点包括两种传感器-（a）被动红外传感器和（b）超声波传感器。在这些传感器中，被动式红外传感器PIR检测运动的人或动物。超声波传感器确定在农田中这个对象的距离。决定在农业领域。在我们的应用中，一个传感器节点的有两种工作方式：（a）它感知的对象闯入农田，（b）作为一个路由器转发从其他节点接收到的数据至接收器。此外，接收节点将消息发送到农民屋内具有GSM功能的报警装置以产生警报。同时，接收器根据在农田中部署的传感器节点接收到的数据发送文本消息。

图3为部署硬件原型的场景。在这个图中，很少有传感器节点被部署在一个农业领域的边界上。当入侵者进入该区域，它将被这些节点之一检测到。通过单一或多跳连接，入侵检测信息通过无线链路传输到网关。此外，网关将入侵者检测的信息发送到接收器。由于GSM模块已经连接到接收器，接收器能够通过短信发送信息至农民的手机，并在农民的屋内产生警报。

B．入侵检测和自动报警程序

无线传感器网络本质上受资源所限。因此，所有部署的传感器节点最初保持在休眠模式。位于开发板（节点）的传感器检测到任何试图进入农业领域的入侵者。之后，节点将信息发送到接收器。传感器节点通过节点和接收器之间的中间节点转发信息。在我们的系统中，检测入侵者的节点被称为主节点。主节点在其相邻节点中选择另一个节点作为下一跳，以转发信息。要选择下一跳，主节点考虑以下参数：

(1)接收信号强度（RSS）的节点在下一跳

(2)下一跳节点的剩余能量（RE）

(3)主节点和下一跳节点之间的距离（d）

图4 数据包格式

在检测到一个入侵者后，一个主节点创建和广播消息请求。因为所有的传感器节点都按照预先计划地布置，所以传感器节点的位置是已知的。因此，在一块区域内有请求消息时主节点的位置。主节点广播数据包。数据包格式如图4所示（a）。在数据包中，类型字段指示消息类型并且MST_pos包含主节点的位置信息。在收到数据包时，所有的邻近节点向主节点发送回执。回执消息包含四个部分，即类型、分布、下一跳节点的剩余能量和接收信号强度。数据报应指明消息的类型，并包含该节点至主节点的距离。数据包中的RE和RSS字段应分别包含节点本身的RE和RSS。一个REP包如图4所示（b）。基于该REP消息，主节点计算每个邻居节点i的选择值S。根据选择值，选择转发主节点入侵检测信息的邻居节点。i节点的选择值SI计算为：

其中REmax和RSSmax分别是节点的最大初始能量和最大信号接收强度。主节点将检测信息发送给具有最高选择值的邻近节点。选定的邻近节点按照与主节点相同的过程将检测信息转发给接收器。检测报文的分组格式如图4（c）所示。节点在一定的时间t内未接收任何节点的任何数据，或未检测到任何对象，则进入休眠状态。只有当入侵者进入农田或任何邻近节点发送数据时，才会激活节点。通常使用外部中断激活节点。我们在农田的部署方案如图5所示。图片细节如下：图5（a）：蔬菜地上的传感器节点被部署，使得传感器可以检测入侵者。图5（b）：以类似的方式，整个菜地的外围被部署的传感器节点覆盖。图5（c）：节点上的LCD指示当检测到入侵者并将检测消息发送到接收器。图5（d）：入侵者检测信息显示在接收器的屏幕上。系统详细流程图如图6所示。

图5 田地里的AID

图6 AID流程图

V

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