CN101661664A - 基于无线传感器网络的果园种植监测系统及其监测方法 - Google Patents

基于无线传感器网络的果园种植监测系统及其监测方法 Download PDF

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蒙海军
李士宁
李志刚
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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的果园种植监测系统及其监测方法，其系统包括由多个无线传感器节点组成的多个无线传感器网络、网关节点、与网关节点相接的通信服务器和与通信服务器相接的上位监控机。其方法包括步骤：一、多个无线传感器节点自组织成多个无线传感器网络且将监测数据定时采集后传送至网关节点，网关节点再将监测数据打包后发送至通信服务器；二、通信服务器将监测数据传送至上位监控机；三、上位监控机对监测数据进行预处理并去除伪数据后，调用专家系统对监测数据进行分析处理并作出相应指导方案。本发明设计合理、成本低、操作简便且监测效果好、智能化程度高，在为农户提供有效指导方案的同时，也能对农户进行适时预警。

Description

基于无线传感器网络的果园种植监测系统及其监测方法
技术领域
本发明属于农业环境监测系统领域，尤其是涉及一种基于无线传感器网络的果园种植监测系统及其监测方法。
背景技术
在全球信息化和数字化背景下，全球农业也由传统农业向现代农业方向转变，而实现农业信息与数字化则是现代农业的重要标志与核心技术。农业监测技术按照农田信息获取手段不同，可以分为基于3S技术和基于传感器的监测体系。无线传感器网络是一种新型的信息获取技术，由众多具有感知、处理和无线通信能力的微型化传感器节点相互通信、相互协作形成一个自组织网络，完成特定的应用任务。但是，传统田间所采用的传感器大多为通过有线方式连接的实时传感器，不仅价格高、安装布设不便，并且实际使用过程中，还存在使用操作不便、数据处理及传输能力差、可用性差、使用成本高等多种缺陷和不足，因而大大限制了传感器感知节点在农业监测领域的应用前景。
同时，果园种植培育过程中，农户需对主要病虫害的发生、肥水的吸收及利用、品质形成因子等方面进行准确、及时把握，因而需要同步进行大量的环境监测工作，这就需要一套完善、精确的无线传感器网络对园区的温度、湿度、降雨、光照、霜冻等气象参数和土壤、水分、品种、密度等果园立地条件参数变化进行有效监测，并根据监测结果相应对病虫害发生动态、肥水丰缺程度、果园通风透光状况等方面进行可靠预测，以提出各种条件下的相应技术措施，科学地指导果园管理，最终达到提高优势农业产业的综合效益，促进农民增收的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计合理、成本低、布网方便且使用操作简单、智能化程度的基于无线传感器网络的果园种植监测系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征在于：包括由布设在被监测果园内的多个无线传感器节点组成的多个无线传感器网络、将所述多个无线传感器节点所监测数据打包后进行上传的网关节点、与网关节点相接的通信服务器和与通信服务器相接的上位监控机，所述网关节点的数量为一个或多个；所述多个无线传感器节点包括分别布设在被监测果园内各株果树树冠上的多个对空气温度、空气湿度和光照强度进行监测的普通传感器节点和分别布设在所述各株果树树根处的土壤水分传感器节点；所述普通传感器节点与网关节点之间以及土壤水分传感器节点与网关节点之间均通过短距离无线通信模块进行双向通信，所述网关节点与通信服务器间通过GPRS网络进行双向通信且网关节点上设置有GPRS无线通信模块。
所述短距离无线通信模块为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。
还包括布设在所述被监测果园内的CO2浓度传感器节点，所述CO2浓度传感器节点与网关节点之间通过短距离无线通信模块进行双向通信。
所述普通传感器节点包括三个传感器模块、分别与所述三个传感器模块相接的处理器模块一、与处理器模块一相接的无线通讯模块一以及分别为三个传感器模块、处理器模块一和无线通讯模块一供电的电源模块一，所述电源模块一分别与所述三个传感器模块、处理器模块一和无线通讯模块一相接，所述三个传感器模块分别为空气温度传感器模块、空气湿度传感器模块、光照强度传感器模块且三者均接处理器模块一；所述无线通讯模块一为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。
所述土壤水分传感器节点包括土壤水分传感器模块、与土壤水分传感器模块相接的处理器模块二、与处理器模块二相接的无线通讯模块二以及分别为土壤水分传感器模块、处理器模块二和无线通讯模块二供电的电源模块二，所述电源模块二分别与土壤水分传感器模块、处理器模块二和无线通讯模块二相接；所述无线通讯模块二为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。
所述CO2浓度传感器节点包括CO2浓度传感器模块、与土壤水分传感器模块相接的处理器模块三、与处理器模块三相接的无线通讯模块三以及分别为CO2浓度传感器模块、处理器模块三和无线通讯模块三供电的电源模块三，所述电源模块三分别与CO2浓度传感器模块、处理器模块三和无线通讯模块三相接；所述无线通讯模块三为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。
所述网关节点包括处理器模块四、分别与处理器模块四相接的GPRS无线通信模块和短距离无线通信模块以及分别与GPRS无线通信模块、短距离无线通信模块和处理器模块四相接的电源模块四。
同时，本发明还提供了一种设计合理、监测步骤简单且监测效果好高的利用基于无线传感器网络的果园种植监测系统进行监测的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、通过多个无线传感器节点分别实时对被监测果园内的相应监测参数进行实时监测且所述多个无线传感器节点以自组网方式组织成多个无线传感器网络，同时所述多个无线传感器节点将各自所监测数据定时采集后传送至相应的网关节点，网关节点再相应将所有无线传感器节点所监测数据打包后发送至通信服务器；
步骤二、通信服务器将接收到的监测数据传送至上位监控机；
步骤三、上位监控机对接收到的监测数据进行进一步分析处理，其分析处理过程如下：
301、上位监控机对接收到的监测数据进行预处理并去除相应伪数据；
302、上位监控机调用专家系统对经预处理后的监测数据进行内部分析处理判断并作出相应指导方案，且通过通信服务器向农户或相关技术人员所使用的移动通信设备上发送生产指导信息和/或预警信息。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、设计合理、成本低、布网方便且使用操作简单、智能化程度高。
2、采用模块化设计且采用低功耗芯片，因而传感器节点的生存期较长。并且，传感器节点采用太阳能充电电池进行供电，则能进一步保障传感器节点的生存期。
3、自组网能力强，可实时同步对被监测果园内各株果树的相关环境参数进行监测。
4、无线传感器节点和网关节点之间采用基于ZigBee协议的短距离无线通信模块进行数据传输，因而多个传感器节点相互之间以及传感器节点与网关节点间监测信息的交互性强，同时可自定制采样周期，并且制作成本低，数据传输速度快。
5、可扩展性强，布网位置信息显示直观。
6、监测效果好、智能化程度高，能为农户提供大量的有用监测数据且附带有预警作用，在为农户提供有效指导方案的同时，也能对农户进行适时预警。比如说，专家系统根据主要病虫害发生规律的数学模型，对监测温度、湿度数据进行时空分析，预测病虫害发生概率和发生区域，通过预警机制，以手机短信方式通知农户和相关技术人员及时给指定区域进行喷洒农药、通风灌水等。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的电路框图。
图2为本发明网关节点的电路框图。
图3为本发明普通传感器节点的电路框图。
图4为本发明土壤水分传感器节点的电路框图。
图5为本发明CO2浓度传感器节点的电路框图。
附图标记说明：
1-无线传感器网络；      2-网关节点；      2-1-GPRS无线通信模块；
2-2-短距离无线通信模    2-3-处理器模块    2-4-电源模块四；
                        块；四；
3-通信服务器；          4-普通传感器节    4-1-空气温度传感器模
                        点；块；
4-2-空气湿度传感器模    4-3-光照强度传感  4-4-处理器模块一；
                        块；器模块；
4-5-无线通讯模块一；    4-6-电源模块一；  4-7-数据存储模块一；
5-土壤水分传感器节      5-1-土壤水分传感  5-2-处理器模块二；
                        点；器模块；
5-3-无线通讯模块二；    5-4-电源模块二；  5-5-数据存储模块二；
6-CO2浓度传感器节点；   6-1-CO2浓度传感   6-2-处理器模块三；
                        器模块；
6-3-无线通讯模块三；    6-4-电源模块三；  6-5-数据存储模块三；
7-上位监控机；          8-移动通信设备。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括由布设在被监测果园内的多个无线传感器节点组成的多个无线传感器网络1、将所述多个无线传感器节点所监测数据打包后进行上传的网关节点2、与网关节点2相接的通信服务器3和与通信服务器3相接的上位监控机7，所述网关节点2的数量为一个或多个。所述多个无线传感器节点包括分别布设在被监测果园内各株果树树冠上的多个对空气温度、空气湿度和光照强度进行监测的普通传感器节点4和分别布设在所述各株果树树根处的土壤水分传感器节点5。所述普通传感器节点4与网关节点2之间以及土壤水分传感器节点5与网关节点2之间均通过短距离无线通信模块2-2进行双向通信，所述网关节点2与通信服务器3间通过GPRS网络进行双向通信且网关节点2上设置有GPRS无线通信模块2-1。实际使用过程中，通信服务器3与农户或相关技术人员所使用的移动通信设备8之间通过GPRS网络进行双向通信。
所述网关节点2包括处理器模块四2-3、分别与处理器模块四2-3相接的GPRS无线通信模块2-1和短距离无线通信模块2-2以及分别与GPRS无线通信模块2-1、短距离无线通信模块2-2和处理器模块四2-3相接的电源模块四2-4。本实施例中，所述短距离无线通信模块2-2为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。同时，本发明还包括布设在所述被监测果园内的CO2浓度传感器节点6，所述CO2浓度传感器节点6与网关节点2之间通过短距离无线通信模块2-2进行双向通信。
结合图3，所述普通传感器节点4包括三个传感器模块、分别与所述三个传感器模块相接的处理器模块一4-4、与处理器模块一4-4相接的无线通讯模块一4-5以及分别为三个传感器模块、处理器模块一4-4和无线通讯模块一4-5供电的电源模块一4-6，所述电源模块一4-6分别与所述三个传感器模块、处理器模块一4-4和无线通讯模块一4-5相接，所述三个传感器模块分别为空气温度传感器模块4-1、空气湿度传感器模块4-2、光照强度传感器模块4-3且三者均接处理器模块一4-4。所述无线通讯模块一4-5为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。同时，所述普通传感器节点4还包括与处理器模块一4-4相接的数据存储模块一4-7。
结合图4，所述土壤水分传感器节点5包括土壤水分传感器模块5-1、与土壤水分传感器模块相接的处理器模块二5-2、与处理器模块二5-2相接的无线通讯模块二5-3以及分别为土壤水分传感器模块5-1、处理器模块二5-2和无线通讯模块二5-3供电的电源模块二5-4，所述电源模块二5-4分别与土壤水分传感器模块5-1、处理器模块二5-2和无线通讯模块二5-3相接。所述无线通讯模块二5-3为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。同时，所述土壤水分传感器节点5还包括与处理器模块二5-2相接的数据存储模块二5-5。
结合图6，所述CO2浓度传感器节点6包括CO2浓度传感器模块6-1、与土壤水分传感器模块相接的处理器模块三6-2、与处理器模块三6-2相接的无线通讯模块三6-3以及分别为CO2浓度传感器模块6-1、处理器模块三6-2和无线通讯模块三6-3供电的电源模块三6-4，所述电源模块三6-4分别与CO2浓度传感器模块6-1、处理器模块三6-2和无线通讯模块三6-3相接。所述无线通讯模块三6-3为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。同时，所述CO2浓度传感器节点6还包括与处理器模块三6-2相接的数据存储模块三6-5。
利用所述基于无线传感器网络的果园种植监测系统进行监测的方法，包括以下步骤：
步骤一、通过多个无线传感器节点分别实时对被监测果园内的相应监测参数进行实时监测且所述多个无线传感器节点以自组网方式组织成多个无线传感器网络1，同时所述多个无线传感器节点将各自所监测数据定时采集后传送至相应的网关节点2，网关节点2再相应将所有无线传感器节点2所监测数据打包后发送至通信服务器3；
步骤二、通信服务器3将接收到的监测数据传送至上位监控机7；
步骤三、上位监控机7对接收到的监测数据进行进一步分析处理，其分析处理过程如下：
301、上位监控机7对接收到的监测数据进行预处理并去除相应伪数据；
302、上位监控机7调用专家系统对经预处理后的监测数据进行内部分析处理判断并作出相应指导方案，且通过通信服务器3向农户或相关技术人员所使用的移动通信设备8上发送生产指导信息和/或预警信息。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征在于：包括由布设在被监测果园内的多个无线传感器节点组成的多个无线传感器网络(1)、将所述多个无线传感器节点所监测数据打包后进行上传的网关节点(2)、与网关节点(2)相接的通信服务器(3)和与通信服务器(3)相接的上位监控机(7)，所述网关节点(2)的数量为一个或多个；所述多个无线传感器节点包括分别布设在被监测果园内各株果树树冠上的多个对空气温度、空气湿度和光照强度进行监测的普通传感器节点(4)和分别布设在所述各株果树树根处的土壤水分传感器节点(5)；所述普通传感器节点(4)与网关节点(2)之间以及土壤水分传感器节点(5)与网关节点(2)之间均通过短距离无线通信模块(2-2)进行双向通信，所述网关节点(2)与通信服务器(3)间通过GPRS网络进行双向通信且网关节点(2)上设置有GPRS无线通信模块(2-1)。
2.按照权利要求1所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征在于：所述短距离无线通信模块(2-2)为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。
3.按照权利要求1或2所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征在于：还包括布设在所述被监测果园内的CO2浓度传感器节点(6)，所述CO2浓度传感器节点(6)与网关节点(2)之间通过短距离无线通信模块(2-2)进行双向通信。
4.按照权利要求1或2所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征在于：所述普通传感器节点(4)包括三个传感器模块、分别与所述三个传感器模块相接的处理器模块一(4-4)、与处理器模块一(4-4)相接的无线通讯模块一(4-5)以及分别为三个传感器模块、处理器模块一(4-4)和无线通讯模块一(4-5)供电的电源模块一(4-6)，所述电源模块一(4-6)分别与所述三个传感器模块、处理器模块一(4-4)和无线通讯模块一(4-5)相接，所述三个传感器模块分别为空气温度传感器模块(4-1)、空气湿度传感器模块(4-2)、光照强度传感器模块(4-3)且三者均接处理器模块一(4-4)；所述无线通讯模块一(4-5)为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。
5.按照权利要求1或2所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征在于：所述土壤水分传感器节点(5)包括土壤水分传感器模块(5-1)、与土壤水分传感器模块相接的处理器模块二(5-2)、与处理器模块二(5-2)相接的无线通讯模块二(5-3)以及分别为土壤水分传感器模块(5-1)、处理器模块二(5-2)和无线通讯模块二(5-3)供电的电源模块二(5-4)，所述电源模块二(5-4)分别与土壤水分传感器模块(5-1)、处理器模块二(5-2)和无线通讯模块二(5-3)相接；所述无线通讯模块二(5-3)为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。
6.按照权利要求3所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征在于：所述CO2浓度传感器节点(6)包括CO2浓度传感器模块(6-1)、与土壤水分传感器模块相接的处理器模块三(6-2)、与处理器模块三(6-2)相接的无线通讯模块三(6-3)以及分别为CO2浓度传感器模块(6-1)、处理器模块三(6-2)和无线通讯模块三(6-3)供电的电源模块三(6-4)，所述电源模块三(6-4)分别与CO2浓度传感器模块(6-1)、处理器模块三(6-2)和无线通讯模块三(6-3)相接；所述无线通讯模块三(6-3)为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。
7.按照权利要求1或2所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征在于：所述网关节点(2)包括处理器模块四(2-3)、分别与处理器模块四(2-3)相接的GPRS无线通信模块(2-1)和短距离无线通信模块(2-2)以及分别与GPRS无线通信模块(2-1)、短距离无线通信模块(2-2)和处理器模块四(2-3)相接的电源模块四(2-4)。
8.一种利用权利要求1所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统进行监测的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、通过多个无线传感器节点分别实时对被监测果园内的相应监测参数进行实时监测且所述多个无线传感器节点以自组网方式组织成多个无线传感器网络(1)，同时所述多个无线传感器节点将各自所监测数据定时采集后传送至相应的网关节点(2)，网关节点(2)再相应将所有无线传感器节点(2)所监测数据打包后发送至通信服务器(3)；
步骤二、通信服务器(3)将接收到的监测数据传送至上位监控机(7)；
步骤三、上位监控机(7)对接收到的监测数据进行进一步分析处理，其分析处理过程如下：
301、上位监控机(7)对接收到的监测数据进行预处理并去除相应伪数据；
302、上位监控机(7)调用专家系统对经预处理后的监测数据进行内部分析处理判断并作出相应指导方案，且通过通信服务器(3)向农户或相关技术人员所使用的移动通信设备(8)上发送生产指导信息和/或预警信息。
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