CN102288222A - 一种基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台，包括部署在被测农田内的若干个农情信息监测分系统、网关、远程数据库服务器和客户端，每个农情信息监测分系统包括一个农情信息监测仪和一个虫害监测仪；所述每个农情信息监测仪和虫害监测仪包括数据处理模块、无线通信模块、电源模块、液晶显示模块和若干个传感器，传感器采集的信号通过数据处理模块处理后在液晶显示模块上显示，并通过无线通信模块无线传输到网关，网关通过其上设有的GPRS无线通信模块将数据传送到远程数据库服务器，最后远程数据库服务器通过网络将数据传送到客户端。本发明既能实时实地完整监测和反馈农情信息，又能远程监控农情信息。

Description

一种基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台

技术领域

本发明属于农情信息监测领域，特别涉及一种基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台。

背景技术

目前，农户获得农情信息的方法主要有两种，一种是传统的田间观察，即农户亲自到农田里根据其经验做出判断，因为这种方法与农户本身的经验有关，且监测范围有限，所以准确性很低；另一种方法是从实施远程监控的监测人员或研究人员中获取农情信息，这种方法准确度较第一种方法比较客观准确，但是监测人员得到信息然后再发送给农户，这之间会存在信息反馈延迟的问题，如果农田出现旱情或虫灾，在农户得到信息时已经遭到了较大损失，所以不能满足应用的要求。

无线传感器网络是一种新型的信息获取技术，由散布在工作区域中大量的传感器节点组成，这些传感器节点具有无线通信、传感和数据处理能力，且体积小、成本低，每个节点可能具有不同的感知形态，例如声纳、震动波、红外线等，节点却可以完成对目标信息的采集、传输、决策制定与实施，实现区域监控、目标跟踪、定位和预测等任务。每一个节点都具有存储、处理、传输数据的能力。通过无线网络，传感器节点之间可以相互交换信息以及实时显示，也可以把信息传送到远程计算机。

因此，将无线传感器网络技术应用于农情信息检测，设计出一种既能实时实地完整监测和反馈农情信息、又能远程监控的农情信息实时监测平台具有极高的理论和实际意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台，该平台能够克服现有农田环境监测系统和方法存在的监测困难、监测范围有限、监测信息反馈延迟等问题，具有实时、高效、监测范围广且准确的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台，包括部署在被测农田内的若干个农情信息监测分系统、网关、远程数据库服务器和客户端，每个农情信息监测分系统包括一个农情信息监测仪和一个虫害监测仪；所述每个农情信息监测仪和虫害监测仪均包括数据处理模块、无线通信模块、电源模块、液晶显示模块和若干个传感器，传感器采集的信号通过数据处理模块进行A/D转换及数据整合后在液晶显示模块上显示；同时，数据处理模块将采集信息编码为数据包后通过无线通信模块无线传输到网关，网关通过其上设有的GPRS无线通信模块将数据传送到远程数据库服务器，最后远程数据库服务器通过网络将数据包传送到客户端，客户端通过对数据包的解码，获取到监测的各项数据信号；所述每个农情信息监测分系统中的农情信息监测仪和虫害监测仪分别通过无线通信模块与网关进行双向信号通信和传输，从而实现无线自组网。

所述农情信息监测仪和虫害监测仪中的数据处理模块、无线通信模块和液晶显示模块，以及选用的传感器均由电源模块进行统一供电，所述电源模块包括太阳能电池板和锂电池，在有阳光时，通过太阳能电池板对各模块进行供电，同时太阳能电池板对锂电池进行充电，在没有阳光时，由锂电池对各模块进行供电。

作为优选方案，所述每个农情信息监测仪中包括以下传感器：部署在农田土壤中不同深度的对土壤含水量、土壤电导率、土壤温度进行监测的传感器；部署在农田中心区域的对空气温度、空气湿度、光照强度、风向、风速和降雨量进行监测的传感器。

所述每个虫害监测仪包括以下传感器：基于光电反射电路构成的虫害计数传感器。现在传统农田都没法准确监测农田内虫害发生情况(虫害种类、数量等)，然而通过虫害监测仪可以精确得到农田内虫害发生情况，实现害虫发生情况的统计，为农田的管理和防治害虫提供信息保证。

更进一步的，所述对空气温度、湿度进行监测的传感器都配有防辐射罩。采用防辐射罩可有效防止室外辐射对空气温湿度传感器的工作影响，也可用于对传感器的保护。

为更好的实现本发明，所述的无线通信模块采用基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。这种模块具有低复杂度、自组织、低功耗、低成本的优点。

本发明的工作原理如下：农情信息监测仪包含有检测土壤中的含水量、电导率、温度和空气温度、湿度、光照、风向风速和降雨量等信息的各类传感器，虫害监测仪包含有监测虫害发生数目的传感器；监测仪定时检测土壤中的含水量、电导率、温度和空气温度、湿度、光照、风向风速、降雨量和虫害发生数目，监测所获得的信息实时显示在液晶显示屏上，并依次通过上述无线通信模块发送至网关；网关将获取的信息进行打包，通过GPRS网络发送给远程数据库服务器；农户可以根据实时液晶显示的信息获知农田土壤、大气环境和虫害发生情况的信息，而客户端计算机或研究人员则可以通过远程控制端获取数据并进行分析计算，从而更准确地获知农田的农情信息。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明将无线传感器技术应用于农情信息的采集，通过无线传感器网络能够实时感知、采样和存储数据，为研究人员提供在线的实时的数据挖掘与分析，且可以实现对监测区域的全覆盖监测，适用于山地、平地和温室农田，实现农田管理的规范化和模式化。

2、本发明采用模块化设计并且使用低功耗芯片和太阳能电池板和锂电池交互供电，保障了节点的长时间运行和生命周期。

3、本发明中农情信息监测仪和虫害监测仪上均设置有液晶显示模块，能够实时显示和反馈橘园各项农情信息，为农户提供大量的橘园的农情信息并附带预警作用，能更好地指导柑橘园的管理和生产。

4、本发明中采用的精确的无线传感器网络可以为农户提供对农田的温度、湿度、光照、降雨、风速、风向等大气环境参数，土壤环境如土壤含水量、土壤电导率、土壤温度等地下环境和虫害发生情况的有效监测并根据监测结果对农田提供科学的管理指导，最终达到促进农作物果实增收的目的。

附图说明

图1(a)是本发明平台的整体结构示意图；

图1(b)是本发明中农情信息监测仪的原理示意图；

图1(c)是本发明中虫害监测仪的原理示意图；

图2是本发明中农情信息监测分系统的外部执行结构示意图；

图3是本发明的内部中央处理器实施电路图；

图4是本发明的太阳能充电实施电路图；

图5是本发明的太阳能8V稳压输出实施电路图；

图6是本发明的土壤传感器EC-5工作实施电路图；

图7是本发明的土壤传感器5TE工作实施电路图；

图8是本发明的空气温湿度传感器工作实施电路图；

图9是本发明的光照传感器工作实施电路图；

图10是本发明的风速传感器工作实施电路图；

图11是本发明的风向传感器工作实施电路图；

图12是本发明的降雨量传感器工作实施电路图；

图13是本发明的虫害数目检测实施电路图；

图14是本发明的液晶显示模块实施电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例以橘园的农情信息检测为例，如图1(a)所示，一种基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台，包括部署在被测农田内的若干个农情信息监测分系统、网关、远程数据库服务器和客户端，每个农情信息监测分系统包括一个农情信息监测仪和一个虫害监测仪；如图1(b)和图1(c)所示，所述每个农情信息监测仪和虫害监测仪均包括数据处理模块、无线通信模块、电源模块、液晶显示模块和若干个传感器，传感器采集的信号通过数据处理模块进行A/D转换及数据整合后在液晶显示模块上显示，同时，数据处理模块将采集信息编码为数据包后通过无线通信模块无线传输到网关，网关通过其上设有的GPRS无线通信模块将数据传送到远程数据库服务器，最后远程数据库服务器通过网络将数据包传送到客户端，客户端通过对数据包的解码，获取到监测的各项数据信号；所述每个农情信息监测分系统中的农情信息监测仪和虫害监测仪分别通过无线通信模块与网关进行双向信号通信和传输，从而实现无线自组网。

具体的，如图2所示，农情信息监测仪包含有土壤温度传感器1-1、土壤含水量传感器1-2、土壤电导率传感器1-3、空气温湿度传感器1-4、光照传感器1-5、风速传感器1-6、风向传感器1-7和降雨量传感器1-8。如图1(c)和图2所示，虫害监测仪包含由光电反射电路构成的虫害计数传感器1-9。

农情信息监测仪和虫害监测仪在有阳光时由太阳能电池板1-10进行直接供电，具体电路如图5所示，同时太阳能电池板对锂电池进行充电，充电实施电路图如图4所示；在没有阳光时由锂电池进行直接供电。每组农情信息监测仪和虫害监测仪的中央处理器实施电路如图3所示，且每组农情信息监测仪和虫害监测仪均含有传感器和配套模块；其中，所述的配套模块包括支持实时信息显示的液晶显示模块1-10、数据处理模块、无线通信模块和电源模块；所述的农情信息监测仪和虫害监测仪通过无线通信模块与一个或多个网关进行双向通信；网关通过GRPS网络与远程数据库服务器进行双向通信。网关是整个监测平台的中继站，系统获取的信息通过处理打包后，以GPRS网络的形式传送到远程数据库服务器，研究人员通过Internet上的客户端即可以获取需要的橘园农情信息数据。

其中，每个土壤传感器节点中的传感器均埋入土壤不同深度当中，可以直接监测土壤温度、电导率和含水量的微变化。如图6土壤传感器EC-5工作实施电路图和图7土壤传感器5TE工作实施电路图所示，土壤传感器通过引出的细电缆与地面上的配套模块相连接，以传递测得的信号。

其中，农情信息监测仪中的空气温湿度传感器均部署在橘园中央区域，可以直接获取空气温度和湿度微变化。如图8空气温湿度传感器工作实施电路图示，空气温湿度传感器1-4可通过细电缆与配套模块连接以传递测得的信号。

其中，农情信息监测仪中的光照传感器均部署在橘园中央区域，可以直接获取太阳光光照强度微变化。如图9光照传感器工作实施电路图示，光照传感器1-5可通过细电缆与配套模块连接以传递测得的信号。

其中，具备保护空气温湿度传感器的防辐射罩的表面具有特殊的处理和结构设计，使仪器感应部分有适当的通风，能真实地感应外界空气温度和湿度的变化，可有效阻挡自然条件下的紫外线照射，防止仪器仪表在野外恶劣的条件下快速老化，可减小因强烈光而造成的测量误差。

其中，农情信息监测仪中的风速传感器和风向传感器分别可以直接获取柑橘区域风速和风向的微变化。如图10风速传感器工作实施电路图和图11风向传感器工作实施电路图示，风速传感器1-6和风向传感器1-7通过细电缆与配套模块连接以传递测得的信号。

其中，农情信息监测仪中的降雨量传感器用于测量橘园降雨量，将降雨量转换为开关量的形式表示的数字信息量输出传递到配套模块，以满足信息传输、处理、记录和显示等需要。降雨量传感器1-8与配套模块之间的通信连接如图12降雨量传感器工作实施电路图示。

其中，虫害检测仪中的捕虫瓶包含一个由光电传感器构成的设计电路，当昆虫进入瓶子的时候，会挡住光电传感器，引起电压变化，通过农情信息监测仪进行数据处理，可实现监测橘园虫害发生情况目的。虫害数目检测实施电路如图13虫害数目检测实施电路图示。

其中，支持实时信息显示的液晶显示屏应用于实时显示各种橘园农情信息参数，以满足最大信息量的快捷获取和反馈。液晶显示屏连接电路如图14液晶显示实施电路图示。

其中，农情信息监测仪和虫害监测仪的主要功能及实现如下：

(1)感知和监测橘园土壤中的含水量、电导率、温度和空气温度、湿度、光照、风向风速、降雨量和虫害发生数目等信息的微变化信号；

(2)将监测获得的微变化信号通过A/D转换为微弱的电信号；

(3)执行组网、路由和初步的数据处理任务。

(4)实时完整地显示和反馈橘园的监测信息。

其中，无线传感器网络中使用的传感器包括：

(1)土壤温度传感器选用美国DECAGON公司的5TE，主要性能指标为：测量范围-40～50℃；分辨率0.1℃；精确度±1℃；电源3.6～15VDC，O.3mA。

(2)土壤电导率传感器选用美国DECAGON公司的5TE，主要性能指标为：测量范围0～23dS/m；分辨率0.01dS/m(0～7dS/m)，0.05dS/m(7～23dS/m)；精确度±10％(0～7dS/m)；电源3.6～15VDC，O.3mA。

(3)土壤含水量传感器选用美国DECAGON公司的EC-5，主要性能指标为：测量范围0～饱和；精确度≥0.03m3/m3(在8dS/m范围内)；分辨率0.001m3/m3(矿物质土)；电源2.5VDC～3.6VDC，10mA；温度-40～60℃。

(4)空气温度、湿度传感器选用中国深圳市优准测控设备有限公司的电阻式数字温湿度传感器DHT11，主要性能指标为：温度测量范围-40～+123.8℃，精度±0.3℃；湿度测量范围0～100％RH，精度±2.0％RH，响应时间8s(tau63％)。

(5)光照传感器选用中国锦州阳光科技发展有限公司的TBQ-6光照度传感器，主要性能指标为：测量范围200～200000Lux；光谱范围400-700(nm)可见光；电源电压24VDC(12VDC～30VDC)；输出信号4～20mA或0～5V；测量误差小于±7％；工作环境温湿度0～40℃、0～70％RH；储存环境温湿度-10～+50℃，0～80％RH；大气压力80～110KPa。

(6)风速传感器选用中国邯郸市大自然测控技术有限公司的BCQ-FS-TTL8，主要性能指标为：测量范围0～60m/s，测量精度±2％；输出信号为脉冲信号(每圈输出8个脉冲，6个脉冲代表1米，信号传输距离＞100米；启动风力＜0.2m/s，风碗直径50mm，供电电源DC 5V～24V，工作温度：-40～+85℃。

(7)风向传感器选用邯郸市大自然测控技术有限公司的BCQ-FX-K16，主要性能指标为：测量范围16个方向(360度)，测量精度±2％，输出信号开关信号，信号传输距离＞100米，电位引线9芯(公共、北、东北、东、东南、南、西南、西、西北)，供电电源DC 5V～24V，工作温度-40～+85℃。

(8)降雨量传感器选用邯郸市大自然测控技术有限公司的MTR-02雨量计，主要性能指标为：分辨率0.2mm，测量范围0～2.4mm/min，工作环境温度0～60℃，工作环境湿度＜95％RH(40℃)，乘水口直径159.6mm，刃口锐角40～45℃，高度260mm。

其中，无线传感器网络中的农情信息监测仪和虫害监测仪的数据处理模块均采用微控制器AVR mega128L，电路图如图3，其主要性能指标为：4kRAM，128kFlash，正常工作电压2.7～5.5V。该微控制器主要负责控制传感器数据采集、无线通信、液晶实时显示和电池能量监测等。

其中，支持实时信息显示的液晶显示屏采用背光显示的128*64点阵液晶。驱动方式：1/64 DUTY，1/9 BIAS，控制器KS0108或兼容ST7920 T6963C，工作温度：-20℃～+70℃。

其中，网关为基于ARM9内核的嵌入式系统，实现与节点间的短距离无线通信及与远程数据库间的Internet通信。

其中，无线通信模块的核心为RF230，支持ZigBee协议，主要性能指标为：工作频段2.4GHz，电流TX16.4mA，RX15.5mA，睡眠电流20nA，工作电压1.8～3.6V。

其中，电源模块由可充电锂电池(容量1250mAh)、锂电池保护芯片(R5426)、锂电池充电电路、电源处理电路及外围接口电路组成。太阳能供电板(5.6V，1.5W)作为外部电源为锂电池充电或为节点直接供电。

其中，GPRS模块使用中国北京源田意广科技有限公司的LT108GSGPRSDTU，具体参数有内部集成TCP/IP协议栈，提供串口数据透明双向转换功能，支持自动心跳，保持永久在线等。

其中，GPRS模块为网关与远程数据库间的双向收发通信实现提供了可能性，实现了远程监控的目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台，其特征在于，包括部署在被测农田内的若干个农情信息监测分系统、网关、远程数据库服务器和客户端，每个农情信息监测分系统包括一个农情信息监测仪和一个虫害监测仪；所述每个农情信息监测仪和虫害监测仪均包括数据处理模块、无线通信模块、电源模块、液晶显示模块和若干个传感器，传感器采集的信号通过数据处理模块进行A/D转换及数据整合后在液晶显示模块上显示；同时，数据处理模块将采集信息编码为数据包后通过无线通信模块无线传输到网关，网关通过其上设有的GPRS无线通信模块将数据传送到远程数据库服务器，最后远程数据库服务器通过网络将数据包传送到客户端，客户端通过对数据包的解码，获取到监测的各项数据信号；所述每个农情信息监测分系统中的农情信息监测仪和虫害监测仪分别通过无线通信模块与网关进行双向信号通信和传输，从而实现无线自组网。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台，其特征在于，所述农情信息监测仪和虫害监测仪中的数据处理模块、无线通信模块和液晶显示模块，以及选用的传感器均由电源模块进行统一供电，所述电源模块包括太阳能电池板和锂电池，在有阳光时，通过太阳能电池板对各模块进行供电，同时太阳能电池板对锂电池进行充电，在没有阳光时，由锂电池对各模块进行供电。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台，其特征在于，所述每个农情信息监测仪中包括以下传感器：部署在农田土壤中不同深度的对土壤含水量、土壤电导率、土壤温度进行监测的传感器；部署在农田中心区域的对空气温度、空气湿度、光照强度、风向、风速和降雨量进行监测的传感器。

4.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台，其特征在于，所述每个虫害监测仪包括以下传感器：基于光电反射电路构成的虫害计数传感器。

5.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台，其特征在于，所述对空气温度、湿度进行监测的传感器都配有防辐射罩。

6.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的农情信息实时监测平台，其特征在于，所述的无线通信模块采用基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。

Images