CN101801006A

CN101801006A - 土壤湿度传感器网络系统及土壤湿度信息的获取方法

Info

Publication number: CN101801006A
Application number: CN201010034324A
Authority: CN
Inventors: 赵春江; 张瑞瑞; 陈立平
Original assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2030-01-18
Also published as: CN101801006B

Abstract

本发明具体涉及一种土壤湿度传感器网络系统及土壤湿度信息的获取方法，属于无线传感器网络技术领域。为实现对田间土壤湿度信息的有效获取，本发明提供一种基于区间调整的土壤湿度传感器网络系统，包括土壤湿度传感设备、数据汇集设备、数据远程传输设备及系统管理设备；采用该系统及方法后，不但可以有效地扩展网络规模，而且能根据应用需要和外接传感器感测精度，有效地进行传输数据的压缩，避免了不必要的资源浪费，实现了传感器网络基于应用的优化。经过实际应用验证，本系统及方法可以很好地与灌溉系统配合，达到较好的自动灌溉效果。

Description

土壤湿度传感器网络系统及土壤湿度信息的获取方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种土壤湿度传感器网络系统及土壤湿度信息的获取方法。

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，是现有农业生产措施与新近发展的高新技术的有机结合，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。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(Geographic Information System，GIS)、全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)、遥感技术(Remote Sensing，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，采用的技术基础各异，但无论其基于的技术如何，实施精准农业的关键在于实现对农田土壤信息的准确获取，尤其是随着自动灌溉技术的推广和应用，对农田土壤湿度的获取就显得尤为重要了。

基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的土壤湿度采集网络，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采集。节点采用干电池供电，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采集。但是，当前的无线传感器网络并不能很好地满足土壤数据获取的需求，主要体现在如下几个方面：(1)土壤湿度监测面积一般较大，如果基于当前传感器网络通信方式，由于数据量较大，不能实现很好的数据融合，当网络规模较大时会造成网络能耗剧增，甚至会造成网络瘫痪；(2)田间的湿度分布具有相邻区域数值近似的特点，如果将这些数据不进行任何处理，都进行直接传送，则会造成大量的冗余数据和能量浪费，缩短了网络生命；(3)农田传感器节点一旦布设完毕，各节点位置一般不再移动，如果我们利用传统的动态组网及动态路由方式，不但不利是对网络功能的浪费，而且会增大数据传输时延；(4)单个节点的精确土壤湿度信息对灌溉决策并没有太大意义；(5)当前多少土壤湿度传感器的测量精度较低，而且很多应用需求中并不需要知道严格的土壤湿度信息；对于资源和能量都受约束的传感器网络设备，如果一味地传输来自传感器设备的数据，而不顾及应用中这些数据是否有用，数据是否有意义，实际会造成传感器网络资源的浪费。下面试举例来说明问题：

在棉花田间土壤湿度监测中，在棉花幼苗期时，对其土壤湿度我们对田间土壤水分的监测精度需求较低，而在棉花花铃期和吐絮期，则对监测精度要求较高。如果我们不对此进行利用，就不可能做到传感器网络的最大节能。可以假设的是，可以在棉花的苗期，将梯度划分区间划分的比较大，而在花铃期和吐絮期将梯度划分区间压缩，直到满足我们的需求。这样就可以就具体的情况设定具体的监测程序，从而达到传感器网络节能的目的。另外，在目前的土壤湿度指导灌溉系统中，在查询土壤湿度信息时，关心的并不是45.33％和45.44％的区别，而是45％和30％的差别，并以此来得到30％点土壤湿度较小。当前土壤湿度传感器的感测精度误差都在4％左右，这就决定了传输高精度的土壤湿度信息并没有太大意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是设计一种基于区间调整的土壤湿度传感器网络系统及土壤湿度信息的获取方法，实现对田间土壤湿度信息的有效获取。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供一种土壤湿度传感器网络系统，包括土壤湿度传感设备、数据汇集设备、数据远程传输设备及系统管理设备；

所述土壤湿度传感设备用于通过与其连接的土壤湿度传感器获取其周围的土壤湿度值，对土壤湿度值进行数据处理，并与网络中其他土壤湿度传感设备及数据汇集设备进行无线通信；

所述数据汇集设备用于接收来自田间传感节点的数据并将该数据打包后发送给所述数据远程传输设备，同时向所述土壤湿度传感设备发送指令信息；

所述数据远程传输设备用于将来自所述数据汇集设备的数据包传输到系统管理设备，所述数据远程传输设备与所述数据汇集设备一起组成网关；

所述系统管理设备用于对田间传感器网络数据进行接收、存储和分析，对所述土壤湿度传感设备进行控制管理。

此外本发明还提供一种应用上述系统进行土壤湿度信息获取的方法，包括如下步骤：

步骤1：将土壤湿度值划分为不同的梯度区间，并将所述不同梯度区间编号；

步骤2：将土壤湿度传感设备均匀分布在被监测区域内，并对土壤湿度传感设备进行编号，然后对土壤湿度传感设备建立本地邻居表；

步骤3：对散布在被监测区域内的节点土壤湿度传感设备进行四叉树区域划分，并根据其各自距离网关距离的大小推选簇首土壤湿度传感设备，所述簇首土壤湿度传感设备用于对节点土壤湿度传感设备采集到的数据进行融合处理；

步骤4：当节点土壤湿度传感设备接收到土壤湿度采集任务后，读取土壤湿度传感器数据，并将该数据按照步骤1中所述的梯度区间划分，然后将土壤湿度数据转化为所对应的梯度区间编号值；

步骤5：节点土壤湿度传感设备将所述梯度区间编号值传递到簇首土壤湿度传感设备；

步骤6：簇首土壤湿度传感设备对节点土壤湿度传感设备发送的梯度区间编号值进行筛选整理；

步骤7：簇首土壤湿度传感设备依然按照四叉树划分推选产生簇首，按照上述步骤5相同方法对数据进行融合处理，一直到将数据汇聚到数据汇集设备为止；

步骤8：数据汇聚设备将接收到的数据信息进行解析后，通过远程传输设备发送给系统管理设备，最后由系统管理设备对数据信息进行分析，生成推荐决策。

所述步骤1中，可以根据具体应用需要，通过系统管理设备对梯度区间进行调整；

土壤湿度传感设备收到网关发送到的更新梯度区间后，土壤湿度传感设备会更新本地梯度区间。

当应用中对土壤湿度值精度要求较低时，可将梯度区间调大，当要求精度较高时，可将梯度区间调小；

当土壤湿度传感设备中所连接土壤湿度传感器监测精度较高时，可将梯度区间调小，当监测精度较低时，可将梯度区间调大。

所述步骤2具体包括：

步骤2.1：根据环境条件确定土壤湿度传感设备的有效无线通信距离r，根据应用需求确定土壤湿度采样点最小距离a；

若a＞r或a＝r，则以

为间距布设土壤湿度传感设备；

若a＜r，则以a为间距布设土壤湿度传感设备；

步骤2.2：按照土壤湿度传感设备所在的行号和列号对土壤湿度传感设备进行编码；

步骤2.3：网关节点的编号设为“0”，被放置在监测区域的第0行，第0列；

步骤2.4：完成布设及编号后的土壤湿度传感设备存储自己周围八个邻居点作为本地邻居表，不够八个时，表项为空。

所述步骤2.2中采用Morton编码方式进行编码操作，具体方法是首先按照节点土壤湿度传感设备所在的行号和列号将所述行号和列号转化为二进制数，然后交叉放入Morton码中，生成节点土壤湿度传感设备编号。

所述步骤3具体包括：对根区域在水平和垂直方向上四等分，形成四个区域，然后对这四个区域再进行同样的操作，如此迭代进行，直到整个区域被划分成4L个相同的网格，L为迭代划分次数；

所述步骤5具体包括：

步骤5.1：节点土壤湿度传感设备首先查询本地邻居表，选择向距离簇首土壤湿度传感设备最近的邻居发送梯度区间编号值；

步骤5.2：接收到梯度区间编号值的节点土壤湿度传感设备又会选择在其本地邻居表内距离簇首土壤湿度传感设备最近的节点土壤湿度传感设备为目的土壤湿度传感设备，直到梯度区间编号值传输到簇首土壤湿度传感设备。

所述步骤5中，当土壤湿度传感设备的邻居点距离簇头的距离大于土壤湿度传感设备距离簇头的距离时，则土壤湿度传感设备选择逆时针方向距离最近的节点作为下一目的节点土壤湿度传感设备。

所述步骤6中，簇首土壤湿度传感设备收集子土壤湿度传感设备发送的土壤数据梯度区间值，然后按照其土壤湿度传感设备编号从小到大进行排序，如果相邻土壤湿度传感设备的数据相等，则合并，只保留编号最小的土壤湿度传感设备数据。

(三)有益效果

基于当前的无线传感器网络并不能很好地满足土壤数据获取的需求的几个方面的问题，我们从应用实际出发设计了一种基于区间调整的土壤湿度传感器网络系统及其应用方法。采用该系统及方法后，不但可以有效地扩展网络规模，而且能根据应用需要和外接传感器感测精度，有效地进行传输数据的压缩，避免了不必要的资源浪费，实现了传感器网络基于应用的优化。经过实际应用验证，本系统及方法可以很好地与灌溉系统配合，达到较好的自动灌溉效果。

附图说明

图1为本发明技术方案所提供的系统的结构框图；

图2为本发明土壤湿度传感节点设备结构框图；

图3为本发明中土壤湿度传感节点设备中主控芯片电路连接图；

图4为本发明土壤湿度传感节点设备中与主控芯片连接的闪存电路连接图；

图5为本发明土壤湿度传感节点设备实施例中无线射频单元电路连接图；

图6为本发明中土壤湿度传感节点设备实施例中四线串口单元电路连接图；

图7为本发明中土壤湿度传感节点设备在田间放置的节点编码规律图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，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。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例具体描述本发明所提供的一种土壤湿度传感器网络系统，图1为本发明所述系统的结构框图，所述系统包括土壤湿度传感设备、数据汇集设备、数据远程传输设备及系统管理设备；数据汇集设备在硬件上由一个没有连接土壤湿度传感器的土壤湿度传感设备实现。数据远程传输设备基于BenQ公司的M23G GPRS调制模块设计实现，并与数据汇集设备通过RS232串行接口交换数据。

数据汇集设备和数据远程传输设备的电源通过太阳能电源系统供给。数据汇集设备、数据远程传输设备和太阳能供电系统三部分一起组成田间网关设备。

所述土壤湿度传感设备用于通过其连接的土壤湿度传感器获取其周围的土壤湿度值，对土壤湿度进行数据处理，并与网络中其他土壤湿度传感设备及数据汇集设备进行无线通信；如图2所示，为本发明土壤湿度传感设备结构框图，该设备包括：电源U5，为设备中的各个部分供电，本实施例中电源U5采用电池或电池组；传感器U4，用于采集土壤温湿度，本实施例中采用ECH2O作为土壤湿度传感器，其精度为±4％；无线射频单元U2，与网络中其它节点设备和管理设备无线通信；存储单元U6，用于暂时存储传感器接口单元U4所接收的数据；主控单元U1，用来协调控制各模块协调工作；

如图3为本发明实施例中主控芯片电路连接图，节点土壤湿度传感设备的主控单元采用主控制器ATmega128L实现。具体实现方式如下：ATmega128L的23、24管脚连接7.3728MHz无源晶振，18、19管脚连接32KHz的无源晶振；46、54管脚配合，并借助稳压芯片LM4041-1.2实现电池电压的测量；27、28、30、48脚与FLASH存储芯片AT45DB041连接，如图4所示，用作扩展存储器，存储节点设备的配置参数或运行过程中的传感器接口单元传输的数据；49、50、51分别连接3个不同色的LED指示灯，如图4所示，用来实现对节点设备工作状态的直观显示：红色LED闪烁表示节点设备无线射频单元U2处于接收状态，设备正在接收来自其他节点的数据，绿色LED用来对传感器数据的指示，对某些重要传感器数据做判断，如可定义当测得的土壤温度值超过10℃时，绿色LED亮，黄色LED闪烁表示节点设备的无线射频单元U2处于发送状态。为了降低设备能耗，在实际应用时，节点中指示灯LED一般处于关闭状态。主控制器的47管脚与序列号生成芯片DS2401P相连，从而方便地实现了节点设备的标识号ID分配。54、55、56、57、20通过上拉电阻与10-pin插头相连，用作外部JTAG(Joint Test Action Group)接口，用于节点设备内部编程、程序下载等，实现对主控制器ATmega128L内部FLASH存储器、电可擦写可编程只读存储器EEPROM、熔丝位和加密位的编程。

如图5所示，为本发明实施例中无线射频单元电路连接图，无线射频单元U2主要利用型号为CC1000射频芯片设计完成。CC1000工作在433MHz频带，最大数据传输速率为76.8kbps，采用外部无源14.7456MHz晶振驱动。CC1000通过三线串行接口PCLK、PDATA、PALE与主控制器的PD4、PD6、PD7管脚连接，实现对CC1000内部36个8位配置寄存器的读写，从而完成对CC1000芯片的初始化配置。CC1000通过SPI MISO、SPI SCK与微处理器的PB2\PB3、PB1连接实现CC1000与微处理器的数据交换；微处理器的61管脚连接CC1000的RSSI，用来获取空间信号强度。CHP_OUT与微处理器的45脚连接，用于实现微处理器对PLL LOCK信号的监测。

如图6所示，为四线串口单元U3，用于实现节点设备与外部设备的数据交换。可以完成对设备的参数数值和配置，也可以通过将编号为0的土壤湿度传感设备的该接口连接到GPRS Modem实现网关设备功能。

所述数据汇集设备用于接收来自田间传感节点的数据并将该数据打包后发送给所述数据远程传输设备，同时向所述土壤湿度传感设备发送指令信息；所述数据汇集设备采用Atmega128L作为控制器芯片，采用CC1000作为节点设备间无线通信芯片。

所述数据远程传输设备用于借助于互联网、卫星链路、移动网络等方式将来自所述数据汇集设备的数据包传输到系统管理设备，其电路实现基于Ben Q M23G模块设计完成，并与数据汇集设备通过串行数据总线交换数据。所述数据远程传输设备与所述数据汇集设备及电源系统一起组成网关；

所述系统管理设备放置在工作人员便于接触的地方，用于对田间传感器网络数据进行接收、存储和分析，对所述土壤湿度传感设备进行控制管理。

实施例2

本实施例具体描述本发明提供的一种利用实施例1所提供的系统进行土壤湿度信息获取的方法，所述方法包括如下步骤：

可以根据具体应用需要，通过系统管理设备对梯度区间进行调整；

步骤2：将土壤湿度传感设备均匀分布在被监测区域，并对土壤湿度传感设备进行编号，然后对土壤湿度传感设备建立本地邻居表。此时均匀分布在被监测区域内并已编号的土壤湿度传感设备可视为节点土壤湿度传感设备；

具体包括：

若a＞r或a＝r，则以

为间距布设土壤湿度传感设备；

若a＜r，则以a为间距布设土壤湿度传感设备；

步骤2.2：在确定完节点土壤湿度传感设备间布设距离后，按照如图7所示的M编码(或Morton编码)方式，对节点土壤湿度传感设备进行编码，安装。这种编码方式首先按照节点土壤湿度传感设备所在的行号和列号将所述行号和列号转化为二进制数，然后交叉放入Morton码中，生成节点土壤湿度传感设备编号。采用这种编码方式的优点在于只要知道节点土壤湿度传感设备编号，即可推算出节点土壤湿度传感设备所在的位置；反之，知道节点土壤湿度传感设备所在位置也可以推算出节点的ID号。而且，该编码方式可以大大减少传输节点土壤湿度传感设备位置信息占用的资源。

首先将节点所在的行号和列号转化为二进制数，然后交叉放入Morton码中。

步骤2.3：网关土壤湿度传感设备的编号设为“0”，被放置在监测区域的第0行，第0列；

具体为，节点土壤湿度传感设备上电初始化完成后，广播路由建立数据包。邻居节点土壤湿度传感设备收到路由建立数据包后，回复。节点土壤湿度传感设备收到邻居节点发送来的数据包后，并连同邻居节点的射频信号强度值一起存储到本地邻居表中。

步骤3：对散布在被监测区域的节点土壤湿度传感设备进行四叉树区域划分，并根据其各自距离网关距离的大小推选簇首土壤湿度传感设备，所述网关即为数据汇集设备及电源系统一起组成的网关，所述簇首土壤湿度传感设备用于对节点土壤湿度传感设备采集到的数据进行融合处理；

具体步骤为：对根区域在水平和垂直方向上四等分，形成四个区域，然后对这四个区域再进行同样的操作，如此迭代进行，直到整个区域被划分成4L个相同的网格，L为迭代划分次数。本系统中规定最小的网格为由四个节点土壤湿度传感设备组成的网格。每个网格为一个簇，簇内按照距离网关距离的大小推选簇首，即如果x为节点与网关间的间隔列数，y为节点与网关间的间隔行数，则通过比较簇内四兄弟节点x+y的和值，选择较小的为簇首。从第1层到第L-1层的簇节点都按照上述方法推选簇首。

步骤4：当节点土壤湿度传感设备接收到土壤湿度采集任务后，读取土壤湿度传感器数据，并将该数据按照步骤1中所述的梯度区间划分，然后将土壤湿度数据转化为所对应的梯度区间编号值；例如，考虑到田间持水量和当地降雨量等因素，某地的田间土壤水分含量一般在20％到60％之间，则可将梯度区间划分为小于20％，20％-30％，30％-40％，40％-50％，50％-60％，60％以上，并将其用1，2，3，4，5，6表示。当节点土壤湿度传感设备读取到的土壤含水量值为35％时，则该值用“3”表示。并将“3”作为节点负载数据打包发送给网关土壤湿度传感设备。

具体包括：

具体为，节点土壤湿度传感设备在发送数据前，查询自己与邻居节点链路的信号强度，并选择信号强度较高的节点土壤湿度传感设备作为父节点，向其发送目的地址为自己簇头节点的数据包。从第1层到第L-1层的簇子节点都按照上述方法传送数据。

其中，关于“空洞”问题的处理，在所述传感器网络中，很少发生传感器网络GPSR通信协议中的“空洞”问题。但是由于节点的偶然故障，以及田间作物遮挡等因素，该问题依然不能完全排除。当土壤湿度传感设备的邻居点距离簇头的距离大于土壤湿度传感设备距离簇头的距离时，则土壤湿度传感设备选择逆时针方向距离最近的节点作为下一目的节点土壤湿度传感设备。

簇首土壤湿度传感设备收齐4个子土壤湿度传感设备发送的土壤数据梯度区间值，然后按照其土壤湿度传感设备编号从小到大进行排序，如果相邻土壤湿度传感设备的数据相等，则合并，只保留编号最小的土壤湿度传感设备数据；从第1层到第L层的簇头，都按照上述方法对数据进行融合处理。

步骤8：数据汇聚设备接收到节点土壤湿度传感设备的数据信息后，首先按照传感器网络通信协议包格式对数据进行解析，提取有效数据信息，然后将有效数据包传输给远程传输设备，远程传输设备根据具体的远程通信协议，对数据进行打包，并发送；

步骤9：系统管理设备在接收到网关发送来的数据包后，首先解析数据包，提取有效数据，然后将数据存储到数据库中，系统管理设备会从数据库中读取数据，并结合地理信息系统软件进行分析，最终生产推荐决策。

通过本发明提出的基于区间调整的土壤湿度传感器网络系统和方法，很好地满足了农业农田土壤湿度信息的获取需求，具有非常大的实际意义和推广价值。

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变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种土壤湿度传感器网络系统，其特征在于，所述系统包括土壤湿度传感设备、数据汇集设备、数据远程传输设备及系统管理设备；

2.一种利用权利要求1所述系统进行土壤湿度信息获取的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

3.如权利要求2所述的土壤湿度信息获取的方法，其特征在于，所述步骤1中，可以根据具体应用需要，通过系统管理设备对梯度区间进行调整；

4.如权利要求3所述的土壤湿度信息获取的方法，其特征在于，当应用中对土壤湿度值精度要求较低时，可将梯度区间调大，当要求精度较高时，可将梯度区间调小；

5.如权利要求2所述的土壤湿度信息获取的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

若a＞r或a＝r，则以

为间距布设土壤湿度传感设备；

若a＜r，则以a为间距布设土壤湿度传感设备；

6.如权利要求5所述的土壤湿度信息获取的方法，其特征在于，所述步骤2.2中采用Morton编码方式进行编码操作，具体方法是首先按照节点土壤湿度传感设备所在的行号和列号将所述行号和列号转化为二进制数，然后交叉放入Morton码中，生成节点土壤湿度传感设备编号。

7.如权利要求2所述的土壤湿度信息获取的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：对根区域在水平和垂直方向上四等分，形成四个区域，然后对这四个区域再进行同样的操作，如此迭代进行，直到整个区域被划分成4^L个相同的网格，L为迭代划分次数；

8.如权利要求2所述的土壤湿度信息获取的方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

9.如权利要求2所述的土壤湿度信息获取的方法，其特征在于，所述步骤5中，当土壤湿度传感设备的邻居点距离簇头的距离大于土壤湿度传感设备距离簇头的距离时，则土壤湿度传感设备选择逆时针方向距离最近的节点作为下一目的节点土壤湿度传感设备。

10.如权利要求2所述的土壤湿度信息获取的方法，其特征在于，所述步骤6中，簇首土壤湿度传感设备收集子土壤湿度传感设备发送的土壤数据梯度区间值，然后按照其土壤湿度传感设备编号从小到大进行排序，如果相邻土壤湿度传感设备的数据相等，则合并，只保留编号最小的土壤湿度传感设备数据。