CN101848240A - 西瓜育苗环境参数监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种西瓜育苗环境参数监测系统及方法，其中该系统包括：无线传感器节点，用于采集育苗场所的环境参数，将所述环境参数处理并发送；无线网关节点，用于接收无线传感器节点发送的环境参数；监测终端，与所述无线网关节点相连接，用于将接收到的所述处理后得到环境参数存储，并且与存储的适于西瓜生长的环境参数阈值相比较，根据比较结果控制育苗场所的环境。本发明提供的系统及方法，能够根据采集的环境参数控制西瓜育苗环境，从而保证西瓜苗的成活率，减少农民损失，提高西瓜产量，增加农民收入。

Description

西瓜育苗环境参数监测系统及方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术，特别涉及一种西瓜育苗环境参数监测系统及方法。

背景技术

农业产业结构调整以来，西瓜种植面积在不断增加。但是由于西瓜重茬种植后，西瓜枯萎病严重，重则造成绝收。当前主要采取的措施是轮作换茬，但是由于农民的耕地有限，加之西瓜轮作周期7～8年，此法成为影响西瓜生产发展的一大瓶颈。目前大部分地区开展西瓜嫁接技术，西瓜枯萎病明显得到了改善。但是西瓜苗在嫁接后如何管理，如何保证嫁接苗的成活率成为另一个突出的问题。嫁接苗的成活率与温度、湿度以及光照强度等因素密切相关，温度、湿度及光照强度等因素超过一定的阈值会导致西瓜苗死亡，农民还需重新嫁接育苗。这样不但耽误育苗的好时机，还给农民造成巨大损失。

集传感器技术、嵌入式计算技术、微机电技术、分布式信息处理技术及无线通信网络技术于一体的无线传感器网络因其广阔的应用前景已经成为当前备受关注的、多学科高度交叉的、知识高度集中的热点研究领域。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪。目前，无线传感器网络技术已经被广泛应用于农业、军事、航空、医疗和工业等领域，国内外众多学者对其进行了深入的研究。

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)中，节点通常采用电池供电，能量不可再生且非常有限；并且节点体积小，存储容量较小，处理能力和无线通信能力相对比较低。如何充分利用这些有限的能量和资源，建立合适的路由，尽可能地传输被测区域的有效数据，成为一个热点问题。由于无线通信模块占了整个节点能量消耗的主要部分，因此采取有效的措施减少无线通信模块的能量损耗有重要意义。一般情况下，WSN拓扑控制的共性目标主要是保障节点间可达性、降低能量损耗、提升网络容量、减小信道干扰以及增强空间复用率等。对于某些特点应用，拓扑控制的目标还涉及支持弱移动性、减小传输延迟、优化通信链路质量等其它方面。

目前采用的WSN网络拓扑主要有：平面型拓扑、分簇拓扑和网状网络拓扑等，它们大多针对单sink节点的WSN环境而提出。传统的平面拓扑控制机制已不能满足无线传感器网络的大规模组网要求，而且不能很好的支持局部数据融合、高效能耗管理以及传感器的工作、休眠调度机制等。分簇机制已经成为部署和实现高效可扩展性密集布设无线传感器网络的拓扑控制方法，其在数据汇聚、融合、能量效率、满足网络QoS要求等方面取得较好的改善，但是目前的分簇方法主要关注如何形成基本分簇结构，而对于簇间通信机制没有给与很好的考虑。网状网络技术目前主要应用于高速自组织无线网络中，对于对等通信和多跳传输具有良好的支持性，对于维护无线网络的运行，保持对跳传输畅通具有重要作用。用网状网络的优势在于通讯的可靠性大为增加，因为两个节点之间可以存在多条通讯链路，并且这些链路是动态建立并维护的，通讯不会由于某些中间节点的失效而中断。另外，在使用多跳技术的网状网络中，各节点的通讯功耗可以大大降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是时刻准确监测大棚的温湿度和光照强度等环境参数条件，提高西瓜苗的成活率，节省农民时间，降低劳动强度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种西瓜育苗环境参数监测系统，包括：

数个无线传感器节点，用于采集育苗场所的环境参数，将所述环境参数处理并发送至无线网关节点；

无线网关节点，用于接收所述无线传感器节点发送的环境参数，并发送至监测终端；

监测终端，与所述无线网关节点相连接，用于存储接收到的环境参数，并且将所述环境参数与存储的适于西瓜生长的环境参数阈值相比较，根据比较结果控制育苗场所的环境。

其中，所述无线传感器节点包括：

传感器单元，用于采集所述环境参数；

转换单元，用于将所述环境参数进行模数转换处理，得到数字化的环境参数；

微处理器单元，用于将所述数字化的环境参数进行融合过滤处理，得到处理后的环境参数；

通信单元，用于发送所述处理后的环境参数，接收其它传感器节点发送的环境参数。

所述无线传感器节点的组网方式包括：由分布在数个塑料大棚内的簇成员节点和簇头节点组成的层次组网方式；由分布在数个塑料大棚内和塑料大棚外的簇头节点组成的网状组网方式。

所述监测终端比较出所述处理后得到环境参数超出环境参数阈值时，所述监测终端还报警。

所述监测终端具有用户界面，其包括：

用户管理单元，用于提供用户注册、登录功能，并对用户设置不同的操作权限；

数据接收存储单元，用于接收所述无线网关节点发送的环境参数，对所述环境参数进行解析，根据所述环境参数的采集时间进行存储；

数据导出单元，用于导出存储的环境参数；

分析单元，用于以时间为横轴绘制监测到的环境参数随时间变化的曲线；

网络拓扑结构显示单元，用于用户查看无线传感器节点的组网方式。

本发明还提供了一种使用上述西瓜育苗环境参数监测系统的西瓜育苗环境参数监测方法，包括：

步骤10、采集育苗场所的环境参数，将所述环境参数处理并发送；

步骤20、将处理后得到的环境参数与设定的环境参数阈值进行比较，根据比较结果控制育苗场所的环境。

其中，所述步骤10具体包括：

步骤101、采集育苗场所的环境参数，所述环境参数包括光照强度参数、温度参数、湿度参数以及气压参数中的一种或多种；

步骤102、将所述环境参数进行模数转换得到数字化的环境参数；

步骤103、将所述数字化的环境参数进行融合过滤处理，得到处理后的环境参数；

步骤104、将所述处理后的环境参数发送。

所述步骤10之前还包括：簇成员节点和簇头节点组成层次网络结构的步骤，具体包括：

步骤01、簇头节点在广播时段向簇成员节点发送Beacon帧；

步骤02、簇成员节点接收簇头节点发送的Beacon帧；如果所述簇成员节点已经加入了一个簇头节点，则丢弃接收到的Beacon帧；如果所述簇成员节点还没有加入任何簇头节点，则记录接收到的Beacon帧对应的簇头节点的地址，并向所述簇头节点发送Request帧请求加入；

步骤03、所述簇头节点接收到簇成员节点发送的Request帧，判断是否已达到设置的最大成员数，是则拒绝所述簇成员节点加入，并回复Deny帧；否则，允许所述簇成员节点加入，并回复Admit帧。

所述步骤10之前还包括：簇头节点之间组成层次网络结构的步骤，具体包括：

步骤01’、簇头节点在广播时段向其它簇头节点发送Beacon帧；

步骤02’、接收到该Beacon帧的簇头节点，回复Receive帧，并将与发送Beacon帧的簇头节点之间链路代价保存在路由表中。

所述步骤104具体包括：

簇成员节点将采集到的环境参数发送给加入的簇头节点；

簇头节点将自身采集的环境参数和接收到的环境参数进行融合处理，将所述处理后的环境参数发送给相邻链路代价最小的其它簇头节点或无线网关节点。

(三)有益效果

本发明提供的西瓜育苗环境参数监测系统及方法，利用无线传感器网络技术实时监测塑料大棚内环境的温度和湿度以及光照强度等环境参数，如果监测量超过预设阈值，就会报警，提示农民通过通风、浇水和避光等措施，及时采取行动，从而保证西瓜苗的成活率；另一方面，通过长期观测西瓜苗的生长情况，可以总结出利于西瓜苗生长的环境参数，从而减少农民的损失，提高西瓜的产量，增加农民的收入。

附图说明

图1是本发明实施例的西瓜育苗环境参数监测系统结构示意图；

图2是本发明实施例的无线传感器模块结构示意图；

图3是本发明实施例的西瓜育苗环境参数监测方法流程图；

图4是本发明实施例的簇成员节点和簇头节点组成层次网络结构的流程图；

图5是本发明实施例的簇头节点之间组成网状网络结构的流程图；

图6是为本发明实施例的监测终端结构示意图。

其中，11：簇成员节点；12：簇头节点；111：传感器单元；112：转换单元；113：微处理器单元；114：通信单元；115：电源；116：天线；2：无线网关节点；3：监测终端；31：用户管理单元；32：数据接收存储单元；33：数据导出单元；34：分析单元；35：网络拓扑结构显示单元。

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。

如图1所示，是本发明实施例的西瓜育苗环境参数监测系统结构示意图，本实施例包括无线传感器节点、无线网关节点2和监测终端3。其中无线传感器节点分为簇成员节点11和簇头节点12。簇成员节点11与簇头节点12无线连接，簇头节点12与无线网关节点2无线连接，无线网关节点2与监控终端3相连接。其中簇成员节点11和簇头节点12设置在多个塑料大棚内，组成层次结构的无线传感器网络。新簇成员节点的加入及旧的簇成员节点的死亡对其它节点没有影响。簇头节点12之间组成网状的网络结构，该网状网络具有自组织、自恢复的特点。本实施例设置在每个塑料大棚内的无线传感器节点网络是分簇结构，多个簇头节点组成网状拓扑结构。

如图2所示，是本发明实施例的无线传感器节点结构示意图；本实施例的簇成员节点与簇头节点的硬件组成相同，包括传感器单元111、转换单元112、微处理器单元113、通信单元114、电源115和天线116。本实施例的无线传感器网络簇成员节点11和簇头节点12可以采用MICAZ节点，微处理器单元113可以选择微处理器芯片ATmega128L，通信单元114可以采用CC2420芯片。其中ATmega128L具有丰富的片上资源和极低的功耗，具有4个定时器、4KB SRAM、128KB Flash和4KB EEPROM，拥有UART、SPI、I2C和JTAG接口，方便通信单元114和传感器单元111的接入；此外ATmega128L有6种电源节能模式，方便低功耗设计。CC2420芯片是一款符合IEEE802.15.4规范的2.4GHZ射频芯片，CC2420可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置工作模式、实现读/写缓存数据和读写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓冲器。CC2420芯片采用加州大学伯克利分校开发的TinyOS嵌入式操作系统来实现，它采用面向组件的结构确保快速响应和执行动作，同时减小了代码的大小，突破传感器存储资源少的限制。TinyOS嵌入式操作系统运行在每个传感器网络节点上，是上层应用和协议运行的前提。此外TinyOS嵌入式操作系统提供一系列可重用的组件，一个应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来，以完成所需要的功能。TinyOS的构建包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具，这些组件可以作为进一步开发的基础。本实施例的传感器单元111采用MTS400CA。MTS400CA集成了光、温湿度、气压等多种环境参数监测传感器。其中对温湿度的监测采用SHT11型智能化温度/湿度传感器，对光的监测采用光传感器TLS2550。MTS400CA具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路和抗干扰能力强等特点。

如图3所示，为本发明实施例的西瓜育苗环境参数监测方法流程图，本方法使用上述实施例中的西瓜育苗环境参数监测系统，本方法包括如下步骤：

步骤10、采集育苗场所的环境参数，将该环境参数处理并发送；

步骤20、将处理后得到的环境参数与设定的环境参数阈值进行比较，根据比较结果控制育苗场所的环境。

其中步骤10具体为：簇成员节点的各个模块初始化后进入节能模式，如果计时器时间到，比如本实施例中可以设置1分钟采集一次数据，微处理器单元发出一个中断信号，然后对微处理器单元内的各个寄存器进行现场保护，传感器单元根据实际情况，采集育苗塑料大棚环境的环境参数，该环境参数包括光照度参数、温度参数、湿度参数以及气压参数中的一种或多种，然后转换单元将传感器单元采集的数据进行模数转换处理得到数字化的环境参数，然后微处理器单元将这些数字化的环境参数进行融合过滤处理，将处理后的数据通过通信单元及天线发送出去。

当簇成员节点没有采集环境参数时，簇成员节点将进入睡眠模式，节省能量；当簇成员节点采集环境参数后，将采集到的环境参数发送给加入的簇头节点；簇头节点将采集和接收到的环境参数进行处理，然后发送给相邻链路代价最小的其它簇头节点或无线网关节点，在整个过程中需要电源单元供电。

上述步骤20具体包括：无线网关节点通过USB线或者串口线或者网线与监控终端连接，无线网关节点将接收到的数据传输至监测终端，监测终端将接收的数据存入数据库中，并与事先设置的环境参数阈值作对比。如果接收的环境参数数据超过了环境参数阈值，则说明塑料大棚内的环境不适合作物的生长，监测终端就会报警，以提示用户采取一定的措施，譬如通风、洒水和遮光等，来改变塑料大棚内的环境。

在上述步骤10之前还包括簇成员节点和簇头节点组成层次网络结构的流程，如图4所示，具体包括：

步骤01、簇头节点在广播时段向簇成员节点发送Beacon帧；

本实施例的簇头节点采用MAC层的分布式广播退避策略竞争信道，保证广播的成功；簇头节点可以设置为每1分钟广播一次，以便新的节点的加入，或者填补旧的节点死亡。

步骤02、簇成员节点接收簇头节点发送的Beacon帧；如果该簇成员节点已经加入了一个簇头节点，则丢弃该接收到的Beacon帧；如果该簇成员节点还没有加入任何簇头节点，则记录接收到的Beacon帧对应的簇头节点的地址，并向广播Beacon帧的簇头节点回复Request帧请求加入；

步骤03、簇头节点接收到簇成员节点发送的Request帧，判断是否已达到簇头节点设置的最大成员数，是则拒绝该簇成员节点的加入，并回复Deny帧至该簇成员节点；否则允许该簇成员节点加入，并回复Admit帧至该簇成员节点表示同意其加入。

其中簇成员节点主要负责环境参数数据的采集，采用周期性睡眠调度管理。

在上述步骤10之前还包括簇头节点之间组成网状网络结构的流程，如图5所示，具体包括：

步骤01’、簇头节点在广播时段采用广播的方式向其它簇头节点广播Beacon帧；

步骤02’、收到该Beacon帧的其它簇头节点，回复Receive帧，并将与发送Beacon帧的簇头节点之间的链路代价记录在路由表中；当簇头节点在转发处理后的环境参数数据时，查找路由表，选择链路代价最小的链路。

其中簇头节点主要负责整个网络的连通性和数据传输，其本身也采集数据，簇头节点将采集到的环境参数与接收到的环境参数进行融合处理。每个簇头节点负责管理若干簇成员节点。簇头节点之间采用网状拓扑结构。网状拓扑结构具有自组织、自恢复、多跳的特点。

无线网关节点接收到所有数据后，将通过中间层软件对接收到的数据进行解析。通过一定的计算公式将所采集到的数据转换成便于用户识别的数据，然后存储转换后的数据。本实施例采用嵌入式数据库SQLite。SQLite用于无线传感器网络具有一定的优势，其代码是开源的，零配置，无需安装，响应时间短，提供简单易用的API接口，可以根据需要进行程序编写。

本实施例的监控终端用户界面设计采用Microsoft Visual C++6.0作为开发工具，采用数据库操作方式实现节点数据的存储、读取、查询和分析。

根据监控终端的功能需求，监控终端可以包括用户管理单元31、数据接收存储单元32、数据导出单元33、分析单元34和网络拓扑结构显示单元35，如图6所示，为本发明实施例的监控终端结构示意图；

其中用户管理单元，主要用于提供用户注册、登录等相关操作功能，并根据系统要求的不同，对用户设立不同的操作数据的权限；

数据接收存储单元，用于接收无线网关节点发送的处理后得到的环境参数，无线网关节点与监控终端之间采用C/S客户端服务器工作模式，基于Socket编程技术，监听本地IP地址的绑定端口，在确认客户端即无线网关节点的连接请求后，接收无线网关节点发送的环境参数数据，并根据自定义数据包协议完成数据解析；根据数据的采集时间，采用时段划分的数据存储管理方式，将解析后的数据存储到数据库对应表格的对应属性字段中。

数据导出单元，用于提供将存储的环境参数导出的功能；考虑到监测的环境参数数据量庞大，并为进一步数据分析挖掘提供数据，监控终端设计此单元，允许用户将数据库中的环境参数数据以合适的形式进行导出。

分析单元，用于用户从数据库表中读取监测量数据，以时间为横轴，绘制监测量随时间变化的曲线，分析监测量连续变化的特性。

同时用户界面系统还可以包括报警单元，用于提供报警功能，以提示用户塑料大棚内西瓜育苗环境监测数据超过了预先设定的阈值。

针对目前瓜农采用温度计来监测整个大棚的温度，并且还需要时刻进入大棚查看温度来监测瓜苗生长情况，这样不仅浪费农民的时间，劳动强度较大，而且不能准确实时的监测大棚的温度的缺陷；本发明提供了西瓜育苗环境参数监测系统及方法，利用无线传感器网络技术实时监测塑料大棚内环境的温度和湿度以及光照强度等环境参数，如果监测量超过预设阈值，就会报警，提示农民通过通风、浇水和避光等措施，及时采取行动，从而保证西瓜苗的成活率；另一方面，通过长期观测西瓜苗的生长情况，可以总结出利于西瓜苗生长的环境参数，从而减少农民的损失，提高西瓜的产量，增加农民的收入。

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型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种西瓜育苗环境参数监测系统，其特征在于，包括：

数个无线传感器节点，用于采集育苗场所的环境参数，将所述环境参数处理并发送至无线网关节点；

无线网关节点，用于接收所述无线传感器节点发送的环境参数，并发送至监测终端；

监测终端，与所述无线网关节点相连接，用于存储接收到的环境参数，并且将所述环境参数与存储的适于西瓜生长的环境参数阈值相比较，根据比较结果控制育苗场所的环境。

2.如权利要求1所述的西瓜育苗环境参数监测系统，其特征在于，所述无线传感器节点包括：

传感器单元，用于采集所述环境参数；

转换单元，用于将所述环境参数进行模数转换处理，得到数字化的环境参数；

微处理器单元，用于将所述数字化的环境参数进行融合过滤处理，得到处理后的环境参数；

通信单元，用于发送所述处理后的环境参数，接收其它传感器节点发送的环境参数。

3.如权利要求1所述的西瓜育苗环境参数监测系统，其特征在于，所述无线传感器节点的组网方式包括：由分布在数个塑料大棚内的簇成员节点和簇头节点组成的层次组网方式；由分布在数个塑料大棚内和塑料大棚外的簇头节点组成的网状组网方式。

4.如权利要求1所述的西瓜育苗环境参数监测系统，其特征在于，所述监测终端包括报警单元，用于当所述处理后得到环境参数超出环境参数阈值时，进行报警。

5.如权利要求4所述的西瓜育苗环境参数监测系统，其特征在于，所述监测终端具有用户界面，其包括：

用户管理单元，用于提供用户注册、登录功能，并对用户设置不同的操作权限；

数据接收存储单元，用于接收所述无线网关节点发送的环境参数，对所述环境参数进行解析，根据所述环境参数的采集时间进行存储；

数据导出单元，用于导出存储的环境参数；

分析单元，用于以时间为横轴绘制监测到的环境参数随时间变化的曲线；

网络拓扑结构显示单元，用于用户查看无线传感器节点的组网方式。

6.一种使用权利要求1-5所述任一的西瓜育苗环境参数监测系统的西瓜育苗环境参数监测方法，其特征在于，包括：

步骤10、采集育苗场所的环境参数，将所述环境参数处理并发送；

步骤20、将处理后得到的环境参数与设定的环境参数阈值进行比较，根据比较结果控制育苗场所的环境。

7.如权利要求6所述的西瓜育苗环境参数监测方法，其特征在于，所述步骤10具体包括：

步骤101、采集育苗场所的环境参数，所述环境参数包括光照强度参数、温度参数、湿度参数以及气压参数中的一种或多种；

步骤102、将所述环境参数进行模数转换得到数字化的环境参数；

步骤103、将所述数字化的环境参数进行融合过滤处理，得到处理后的环境参数；

步骤104、将所述处理后的环境参数发送。

8.如权利要求6所述的西瓜育苗环境参数监测方法，其特征在于，所述步骤10之前还包括：簇成员节点和簇头节点组成层次网络结构的步骤，具体包括：

步骤01、簇头节点在广播时段向簇成员节点发送Beacon帧；

步骤02、簇成员节点接收簇头节点发送的Beacon帧；如果所述簇成员节点已经加入了一个簇头节点，则丢弃接收到的Beacon帧；如果所述簇成员节点还没有加入任何簇头节点，则记录接收到的Beacon帧对应的簇头节点的地址，并向所述簇头节点发送Request帧请求加入；

步骤03、所述簇头节点接收到簇成员节点发送的Request帧，判断是否已达到设置的最大成员数，是则拒绝所述簇成员节点加入，并回复Deny帧；否则允许所述簇成员节点加入，并回复Admit帧。

9.如权利要求6所述的西瓜育苗环境参数监测方法，其特征在于，所述步骤10之前还包括：簇头节点之间组成网状网络结构的步骤，具体包括：

步骤01’、簇头节点在广播时段向其它簇头节点发送Beacon帧；

步骤02’、接收到该Beacon帧的簇头节点，回复Receive帧，并将与发送Beacon帧的簇头节点之间链路代价保存在路由表中。

10.如权利要求7所述的西瓜育苗环境参数监测方法，其特征在于，所述步骤104具体包括：

簇成员节点将采集到的环境参数发送给加入的簇头节点；

簇头节点将自身采集的环境参数和接收到的环境参数进行融合处理，将所述处理后的环境参数发送给相邻链路代价最小的其它簇头节点或无线网关节点。

Images