CN101399734A - 一种农田土壤信息采集系统和方法 - Google Patents

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赵春江
张瑞瑞
陈立平
徐刚
黄文倩
王彦集
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本发明公开了一种农田土壤信息采集系统,所述系统包括:田间传感节点,通过土壤参数传感器感知土壤信息,并经其他田间传感节点和/或路由节点将所述土壤信息传送到WSN-GPRS网关;路由节点,用于转发所述田间传感节点发送的土壤信息;田间WSN-GPRS网关,用于对所述土壤信息数据过滤、压缩、整理,并将所述数据发送给数据管理服务器;数据管理服务器,用于接收、存储和分析所述田间WSN-GPRS网关发送的数据,并与WEB访问终端和/或移动接入终端进行通信。本发明还公开了一种农田土壤信息采集方法。本发明与现有技术相比具有实时性强,布设简单,测量精度高,获取数据量大等特点。

Description

一种农田土壤信息采集系统和方法技术领域本发明涉及无线通信网络技术领域,特别是涉及一种农田土壤信 息采集系统和方法。背景技术精准农业是近年来国际上农业科学研究的热点领域之一。精准农 业的含义就是按照田间每一操作单元的具体条件,精细准确地调整土 壤和作物管理措施,最大限度地优化各项农业投入,以获取最高产量 和最大经济效益,同时保护农业生态环境,保护土地等农业自然资源。 精准农业是现有农业生产措施与新近发展的高新技术的有机结合。目前精准农业主要从两个方面进行, 一是基于传感器技术的精准农业; 二是基于地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)、遥感 技术(RS)和计算机自动控制系统的精准农业,也就是所谓的基于 "3S"的精准农业。目前,基于管理对象的不同,釆用的技术基础各 异。但无论其基于的技术如何,实现对农田土壤信息的准确获取,是 实时精准农业的关键。精准农业的本质是根据收集到的土壤作物空间变异信息,在生产 中针对地块的具体情况确定出相应的农业措施。由于田间气候、种植 作物的影响,土壤特征实时都在变化。准确了解土壤特征的变化,不 但有利于我们有针对性地浇灌,施肥,而且对防止土质变坏、农业科 研建模等都有很大的推动作用。当前,农田土壤信息获取的主要方式有:手持设备的人工获取方 式、基于GPRS监测方式。利用手持设备人工打点,来获取农田土壤 信息是最原始的方式,该方式不但需要耗费大量的人力而且不具有实 时性,且数据的获取量有限,显然已不能满足当前对农田土壤信息的
需求。GPRS作为一种先进的无线移动通信技术,具有数据传输快、永远在线和信号覆盖广等特点。基于GPRS的土壤监测技术是通过将 土壤传感器和GPRS通信模块直接相连,利用移动通信运行商的 GPRS网络,将农田土壤数据发送到指定数据服务器。该方式的优点 在于节点布置灵活,地域局限性较小。但是,GPRS通信设备电源消 耗和体积都很大,这样一方面不可能实现高密度大范围的釆样,另一 方面,对农田原有生态环境也会造成较大的人为影响。基于WSN ( Wireless Sensor Network ,无线传感器网络)的监测 网络,采用大量微型的无线传感器节点作为土壤感知终端,节点通过 相互协作的方式完成农田土壤数据釆集。节点釆用干电池供电,体积 微小,功耗极低,且具有较好的智能处理能力, 一次布设后,几乎不 需要维护,非常适合应用于农田土壤信息釆集。发明内容本发明实施例要解决的问题是提供 一种农田土壤信息采集系统 和方法,实现对土壤的高密度、多参量,大信息量信息获取。使该系 统田间采集设备具有微小的体积,超低的功耗和持续稳定的工作能力;使系统对不同的土壤、作物、釆样形式等具有一定的通用性;系 统能将田间土壤信息数据可靠稳定地传送到远端数据管理服务器,具 有较好的服务质量和稳定性。为达到上述目的,本发明实施例的技术方案提供一种农田土壤信 息采集系统,所述系统包括:田间传感节点,通过土壤参数传感器感 知土壤信息,并经其他田间传感节点和/或路由节点将所述土壤信息 传送到WSN-GPRS网关;路由节点,用于转发所述田间传感节点发 送的土壤信息;田间WSN-GPRS网关,用于对所述土壤信息数据过 滤、压缩、整理,并将所述数据发送给数据管理服务器;数据管理服 务器,用于接收、存储和分析所述田间WSN-GPRS网关发送的数据, 并与WEB访问终端和/或移动接入终端进行通信。
其中,所述田间传感节点包括:土壤参数传感器,用于釆集土壤 参数信息,所述土壤参数信息包括温度、水分、电导率、表面空气温 湿度和光照强度中的一种或几种;射频通信单元,用于将采集的土壤 参数信息以无线的形式发送出去。其中,所述田间传感节点还包括:形式控制单元,用于控制所述 田间传感节点的釆样形式、通信形式和睡眠形式,所述釆样形式包括 固定周期釆样、查询釆样和传感器数据触发釆样,所述通信形式包括 釆用flooding路由和釆用指定路径路由,所述睡眠形式包括无睡眠、 周期性睡眠和传感器数据唤醒睡眠。其中,所述田间WSN-GPRS网关包括:射频通信单元,用于接 收所述田间传感节点发送的土壤信息;数据处理单元,用于对所述射 频通信单元接收到的土壤信息进行过滤、压缩、整理;GPRS网络通 信单元,用于将所述数据处理单元处理后的数据通过GPRS链路发送 给所述数据管理服务器。其中,所述系统还包括:GPS定位设备,用于采集所述田间传感 节点的经纟争度坐标,并将所述坐标数据发送到所述数据管理服务器。本发明实施例的技术方案还提供一种农田土壤信息釆集方法,包 括以下步骤:田间传感节点釆集土壤参数信息,并经其他田间传感节 点和/或路由节点将所述土壤信息传送到WSN-GPRS网关;所述田间 WSN-GPRS网关对所述土壤信息数据过滤、压缩、整理,并将所述 数据发送给数据管理服务器;所述数据管理服务器接收所述田间 WSN-GPRS网关发送的数据,并对所述数据进行存储和分析。其中,在所述田间传感节点釆集土壤参数信息之前,还包括:设 置所述田间传感节点的釆样形式、通信形式和睡眠形式,所述采样形 式包括固定周期釆样、查询釆样和传感器数据触发釆样,所述通信形 式包括釆用flooding路由和釆用指定路径路由,所述睡眠形式包括无 睡眠、周期性睡眠和传感器数据唤醒睡眠。
其中,所述方法还包括:GPS定位设备釆集田间传感节点的经纬度坐标,并将所述坐标数据发送到数据管理服务器。其中,在所述数据管理服务器接收田间WSN-GPRS网关发送的 数据之后,还包括:根据所述数据中对应的田间传感节点的经绵度坐 标,将田地中各点土壤信息的当前情况显示在田块的遥感图像上。其中,在所述数据管理服务器对所述数据进行存储和分析之后, 还包括:所述数据管理服务器将所述数据发送到WEB访问终端和/ 或移动接入终端上。与现有技术相比,本发明的技术方案具有如下优点:本发明将无线传感器网络技术、GPRS通信网络等同时引入到农 田土壤信息釆集系统中,实现了对农田土壤信息的远程实时获取,并 且田间无线传感器网络节点具有独特的硬件的键控模式选择功能,可 以满足不同科研人员、用户等多方面的需要。本发明实时性强,布设 简单,测量精度高,获取数据量大。附图说明图l是本发明系统原理框图;图2是本发明田间传感节点电路原理框图;图3是本发明中田间传感器节点传感模块部分的电路原理图;图4是本发明田间WSN-GPRS网关电路原理框图;图5是本发明传感器节点主程序流程图;图6是本发明WSN-GPRS网关主程序流程图;图7是本发明数据管理软件数据流图。具体实施方式下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。本发明的 一 种基于WSN的农田土壤信息釆集系统,包括田间传 感节点、纯路由节点、田间WSN-GPRS网关和数据管理服务器。传
感器节点、路由节点和网关节点组成田间信息釆集网络。传感器节点 通过土壤参数传感器感知土壤信息,并经其他传感器节点和路由节点以数据接力的形式将信息传送到WSN-GPRS网关。WSN-GPRS网关 对传感器节点数据融合、压缩、处理,然后将数据按照GPRS网络数 据包格式打包,经GPRS网络和Internet发送给远端数据管理服务器。所述田间传感节点是指接有土壤温度、水分、电导率传感器及土 壤表面空气温湿度和光照强度传感器,具有无线射频通信能力的数据 釆集模块。节点可以实现对土壤水分、温度、电导率,土壤表面空气 温湿度、光照强度的同步测量,并将数据以无线的形式发送出去。传 感节点主要包括传感模块、MCU模块和RF通信模块三部分。MCU 是整个节点的核心,上电复位后,它首先读取键控模式选择开关,确 定其工作模式,然后执行相应的工作模式。所述工作模式是指系统为 提高节点的通用性而设计的可供用户选择的多种工作模式。其主要包 括固定周期釆样、査询采样和传感器数据触发采样三种釆样模式; flooding路由和指定路径路由两种数据通信模式;无睡眠模式、周期 性睡眠模式或传感器数据唤醒睡眠模式三种节能模式。传感器将土壤 当前时刻的状态量转化为可以为MCU识别的电信号,经相应的隔离 调理电路后,进入MCU, MCU对电信号进行模拟/数字转换,完成 土壤参数的数字量化。而后,MCU运行其中N-Mesh通信协议栈, 将土壤参数打包,经RF模块发送出去。WSN-GPRS网关包括两部分功能,其433MHz通信部分充当田 间无线传感器网络的数据汇聚节点(Sink节点),GPRS通信部分完 成GPRS连接的建立和维护,充当GPRS连接伺服器的作用。Sink 节点是田间无线传感器网络的协调节点,它负责对网络协调、维护及 数据釆集、融合。Sink节点收到传感节点的数据包后,首先判断数据 包的有效性,如果无效则抛弃,如果有效则将其压入数据存储区,并 提取其中的路径信息,对网络的当前情况做模糊分析,根据分析结果
调度相应任务。所述数据包的有效性主要是指数据包可否通过CRC16 校验、数据包中传感器数据是否在规定范围之内、该数据包是否被重 复接收等方面。网关的GPRS通信部分实现与远端的数据管理中心 GPRS连接的建立和维护。在GPRS网络异常中断时,它能够重新建立 GPRS链路。当远端数据管理中心关闭状态下,自动识别,并自动转 入间歇式工作模式,以最大限度节约电能。所述纯路由节点是指没有配备传感器,仅具有数据路由能力的无 线通信节点。路由节点一方面转发网络中其他节点的数据,另一方面, 负责传感器节点数据传递路径维护。纯路由节点时刻监听网络,当接 收到网络中的传感节点的数据包后,首先判断该数据包的有效性,如 果无效,则抛弃;有效,则调用网络路由算法,并结合当前的组网方 式,将数据向着SINK节点做进一步发送。数据管理服务器是一组运行有WSN数据管理银件的服务器。该 服务器接收来自田间的传感节点数据,对数据进行存储,分析,最后 将信息直观显示。结合arcGIS软件,田地中各点土壤信息的当前情 况可以直观地显示在田块的遥感图像上。该服务器对外提供web访问 和移动PDA接入端访问,使随时随处了解田块土壤信息成为可能。如图1所示,为本发明系统结构框图。系统采用无线传感器网络、 GPRS网络和Internet三层的网络结构,并结合GPS定位系统,实现 对田间数据土壤的持续多点采样。无线传感器节点在田间的布置时, 利用差分GPS精确定位,每一个节点都有相应的经纬度坐标信息和 身份标识码。田间无线传感器网络节点运行其中的N-Mesh通信协议 栈,实现节点的自组网和通信,并最终将数据汇聚到WSN-GPRS网 关节点。网关将数据格式化后发送到GPRS网络,并借助移动通信运 营提供商内部网络,将数据发送到Internet的指定IP和端口 。相应IP 上,运行有数据管理服务器组,服务器通过其上运行的管理软件将数 据接收下来。
如图2所示为传感器节点电路原理图。传感器节点主要分为主控制器部分,RF通信模块部分,传感部分。主控制器采用Atmel公司的 高性能、低功耗8位微处理器芯片ATmegal28L。 ATmegal28L上电复 位后,便运行如图3所示的软件程序。首先初始化各硬件功能模块, 接着读取拨码开关键值,根据键值,确定工作模式。接下来,节点通 过侦听网络中Sink节点发送的同步超帧来完成网络节点的同步。同步 完成后,节点通过运行其内部嵌入的小型搡作系统,来实现在多个任 务间的切换。值得一提的是,模块具有高效的能量管理策略,节点绝 大部分时间均处于电源电流只有10uA的睡眠中,只有当数据发送事 件触发时,才会进入发送模式,并且在数据发送完成后,节点会向临 近的路由节点或Sink节点申请再度进入睡眠,当得到允许后,节点会 再度进入睡眠模式。如图4所示为传感节点的传感器接口板电路原理图。该传感器接 口板可以实现对土壤水分、温度、电导率、地表空气温度、湿度、光 照强度六种状态量的测量。其中土壤水分、温度和电导率是通过 ECH-TE传感器实现的。土壤表面空气湿度、温度是通过HTM2500 传感器实现的,光照强度是由TSL2561芯片实现的。三种传感器都 可在最低2.5V的电压下工作,非常适合低功耗环境应用。工作温度 范围在-55。C〜125。C,可以适应农田恶劣的气候环境。另外,该传感 器板还配备了低功耗的电源控制管理芯片MCP1727,通过该芯片可 以实现对传感器板电源的调整和管理。在节点处于睡眠模式下,为最 大可能地降低系统功耗,可以断开所有传感器电源。如图5所示为WSN-GPRS网关电路原理图。网关的外围模块主 要有WSN网络通信模块、GPRS数据通信单元、数据存储单元 AT45DB041,键盘扫描模块ZLG7289,液晶显示部分和太阳能系统 部分。网关通过CC1000无线通信芯片,以433MHz频段与田间无线 传感器网络通信,通过BenQ M23模块实现与GPRS网络的数据通信。
并且,设备会根据键盘的设置和功能选择情况,将当前田间网络节点信息、数据传输信息、数据压缩信息、与GPRS连接状态等都实时地 反映在液晶显示屏上面,便于用户对系统的了解。另外,系统还对太 阳能系统充放电控制器干预,并实时监测电池电量变化。当太阳能系 统工作异常或太阳能电池处于极低电压下时,系统会通过GPRS网络 将报警信息提供给数据管理中心,或以短息的形式提供到指定的手机 上。图6是网关设备的主程序流程图。图7是本发明数据管理软件数据流图。田间网络釆集的监测数据 包,经GPRS网络发送到数据服务器上。数据解析模块按照规定的数 据格式对数据包进行解析,从中提取有效数据,包括发送该数据包的 节点号、传输路径、监测数据等,然后将这些数据存入数据库。此外 节点的坐标信息和地图数据也被存入数据库,供用户使用。上层的 Web应用在这些数据的基础上进行构件,提供了对这些数据进行分 析,查询和下载的功能;通过节点坐标数据和地图数据可以进行节点 定位;根据路径数据能够实现路径的实时更新;对监测数据能够以图 表等多种方式展示给用户;用户还能够通过节点控制功能向田间网络 中的各个节点发送控制命令,远程对它们进行控制。此外还提供了数 据共享Web Services来实现系统应用层面上的数据共享。这样,客户 端(PDA访问终端、Web访问终端等)通过互联网就可以访问Web 应用,为身处异地的用户提供决策管理的信息支持。其他的应用程序 通过对数据共享Web Services的引用实现了系统应用层面上高效、快 捷的数据共享。具体应用时,将传感器节点按照土壤釆样的要求,设置传感器节 点的工作模式,将传感器节点安置在土壤采样点上,并用差分GPS 记录下其经炜度坐标,保持每个节点i00m范围内有两到三个节点既 可。由于作物高度、密度的影响,节点间通信距离可能会有缩减,可 以通过调整传感器节点间的距离或添加纯路由节点来解决。设置完成
后,可以在田间WSN-GPRS网关的液晶显示屏上查看各传感器节点 的通信情况和传感器数据情况。确认所有节点数据都可传回网关,并 且传感器数据有效。打开远端上位机软件,查看远端数据接收情况。 本系统与现有的传统系统相比具有实时性强,布设简单,测量精度高, 获取数据量大等特点。以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领 域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以 做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种农田土壤信息采集系统,其特征在于,所述系统包括:田间传感节点,通过土壤参数传感器感知土壤信息,并经其他田间传感节点和/或路由节点将所述土壤信息传送到WSN-GPRS网关;路由节点,用于转发所述田间传感节点发送的土壤信息;田间WSN-GPRS网关,用于对所述土壤信息数据过滤、压缩、整理,并将所述数据发送给数据管理服务器;数据管理服务器,用于接收、存储和分析所述田间WSN-GPRS网关发送的数据,并与WEB访问终端和/或移动接入终端进行通信。
2、 如权利要求1所述的农田土壤信息釆集系统,其特征在于, 所述田间传感节点包括:土壤参数传感器,用于采集土壤参数信息,所述土壤参数信息包 括温度、水分、电导率、表面空气温湿度和光照强度中的一种或几种; 射频通信单元,用于将釆集的土壤参数信息以无线的形式发送出去。
3、 如权利要求1或2所述的农田土壤信息采集系统,其特征在 于,所述田间传感节点还包括:形式控制单元,用于控制所述田间传感节点的釆样形式、通信形 式和睡眠形式,所述釆样形式包括固定周期釆样、查询釆样和传感器 数据触发釆样,所述通信形式包括釆用flooding路由和釆用指定路径 路由,所述睡眠形式包括无睡眠、周期性睡眠和传感器数据唤醒睡眠。
4、 如权利要求1所述的农田土壤信息釆集系统,其特征在于, 所述田间WSN-GPRS网关包括:射频通信单元,用于接收所述田间传感节点发送的土壤信息; 数据处理单元,用于对所述射频通信单元接收到的土壤信息进行过滤、压缩、整理;GPRS网络通信单元,用于将所述数据处理单元处理后的数据通过GPRS链路发送给所述数据管理服务器。
5、 如权利要求1所述的农田土壤信息釆集系统,其特征在于, 所述系统还包括:GPS定位设备,用于釆集所述田间传感节点的经纬度坐标,并将 所述坐标数据发送到所述数据管理服务器。
6、 一种农田土壤信息采集方法,其特征在于,包括以下步骤: 田间传感节点釆集土壤参数信息,并经其他田间传感节点和/或路由节点将所述土壤信息传送到WSN-GPRS网关;所述田间WSN-GPRS网关对所述土壤信息数据过滤、压缩、整 理,并将所述数据发送给数据管理服务器;所述数据管理服务器接收所述田间WSN-GPRS网关发送的数 据,并对所述数据进行存储和分析。
7、 如权利要求6所述的农田土壤信息釆集方法,其特征在于,在所述田间传感节点釆集土壤参数信息之前,还包括:设置所述田间传感节点的釆样形式、通信形式和睡眠形式,所述 采样形式包括固定周期釆样、查询釆样和传感器数据触发釆样,所述 通信形式包括釆用flooding路由和采用指定路径路由,所述睡眠形式 包括无睡眠、周期性睡眠和传感器数据唤醒睡眠。
8、 如权利要求6所述的农田土壤信息釆集方法,其特征在于, 所述方法还包括:GPS定位设备釆集田间传感节点的经纬度坐标,并将所述坐标数 据发送到数据管理服务器。
9、 如权利要求8所述的农田土壤信息釆集方法,其特征在于, 在所述数据管理服务器接收田间WSN-GPRS网关发送的数据之后, 还包括:根据所述数据中对应的田间传感节点的经纬度坐标,将田地中各 点土壤信息的当前情况显示在田块的遥感图像上。
10、如权利要求6所述的农田土壤信息釆集方法,其特征在于, 在所述数据管理服务器对所述数据进行存储和分析之后,还包括:所述数据管理服务器将所述数据发送到WEB访问终端和/或移 动接入终端上。
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