CN102664949A - 分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统 - Google Patents

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谢立
周圣贤
黄财谋
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Abstract

本发明公开了一种分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统。它包括多个无线传感节点、多个无线路由节点、无线中央控制节点和GSM短信报警模块；1个或多个无线传感节点与无线路由节点相连，多个无线路由节点按照路由最近原则与1个或多个无线路由节点相连，无线中央控制节点按照路由最近原则与1个或多个无线路由节点相连，无线中央控制节点负责将收集的整个网络的数据传输给PC机，PC机分析收集到的网络数据，当数据符合报警要求时，GSM短信报警模块向用户发送短信报警信息，用户通过GSM网络主动控制监控网络数据上传和操作设施。本发明具有网络可拓展和异构性，具备多种环境因子监测功能，GSM网络短信预警控制功能，安装维护简单，成本低，使用方便。

Description

分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统
技术领域
本发明涉及一种分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统。
背景技术
设施农业是现代化农业的重要组成部分，它在一定程度上使农业生产摆脱了对自然环境的依赖，并且能够获得高品质、高效率的农产品，是现代农业发展中的一次革命。设施农业有多种生产方式，其中大棚农业是占主要地位的一种。大棚农业能够人为地控制农业生产中的环境参数，减少农业污染，达到农作物的最佳生长条件，提高农业生产效益。由于大棚内的环境参数直接影响着农作物的生长，对环境参数的监测和预警显得尤为重要。人们为了加强对环境参数的监测，调节农作物的生长环境，提高农业生产效益，着手研制了农业大棚环境参数监测与预警系统。
近年来，设施农业环境参数监控系统出现了一些新的应用趋势。英特尔公司设计的应用在美国俄勒冈州一个葡萄园中的葡萄园环境监测系统，美国Crossbow公司设计的无线环境监测系统，美国加州大学伯克利分校的研究人员设计的大鸭岛生物环境监测系统等是国外设施农业环境监控系统应用的代表。
国内设施农业环境参数监控系统发展相对较晚，始于上个世纪80年代，国家在“九五”攻关项目中启动了有关温室设施及配套装备的研制课题，取得了一些成果。90年代开始，我国设施农业逐步向规模化、集约化和科学化方向发展，技术水平有了大幅度提高。但是我国设施农业发展中还存在着一些问题，科技含量和国外发达国家水平相比还比较低。高品质产品多为国外产品，温室环境参数监控系统也不例外。这严重制约了设施农业环境监控系统在我国的推广应用。
ZigBee无线传感器网络技术以其设备成本低、网络的自组织性、节点设置灵活、数据传输安全可靠、功耗低等独特的优势，在设施农业信息化中展现出广阔的应用前景。ZigBee无线传感器节点可以收集土壤湿度、氮浓度、pH值、降水量、温度、空气湿度和CO2浓度等信息，然后将这些信息由无线传感器网络传送到中央控制设备供用户决策和参考，从而使用户及时准确地发现问题，进行通风、灌溉等有效措施，提高农作物的成活率和单位产量。GSM网络覆盖面积大、使用范围广、信号稳定、易集成，可以作为无线监控预警系统与用户交互的功能模块。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统。
分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统包括多个无线传感节点、多个无线路由节点、无线中央控制节点和GSM短信报警模块；无线传感节点包含多种数字传感器，收集多种环境因子数据，是整个网络的终端，可以自由加入或退出无线监控网络，无线路由节点负责整个网络数据的路由，多个无线路由节点组成了一个网状网络，无线路由节点自由加入或退出无线监控网络，1个或多个无线传感节点与无线路由节点相连，多个无线路由节点按照路由最近原则与1个或多个无线路由节点相连，无线中央控制节点按照路由最近原则与1个或多个无线路由节点相连，无线中央控制节点负责将收集的整个网络的数据传输给PC机，PC机分析收集到的网络数据，当数据符合报警要求时，GSM短信报警模块向用户发送短信报警信息，用户通过GSM网络主动控制监控网络数据上传和操作设施。
所述的ZigBee无线传感节点的内部模块连接关系为：CC2430微处理器分别与RS232收发器、LDB182G4505C-110变压器、SHT11温湿度传感器、TSL230B光照传感器、PS2811-4光耦相连接，天线与LDB182G4505C-110变压器相连接，PS2811-4光耦与BRT3-SS-105D固态继电器相连接。
所述的ZigBee无线路由节点的内部模块连接关系为：CC2430微处理器分别与SST25VF020存储器、RS232收发器、LDB182G4505C-110变压器相连接，天线与LDB182G4505C-110变压器相连接。
所述的ZigBee无线中央控制节点的内部模块连接关系为：CC2430微处理器分别与SST25VF020存储器、RS232收发器、LDB182G4505C-110变压器相连接，天线与LDB182G4505C-110变压器相连接，RS232收发器与PC机连接。
所述的GSM短信预警模块为西门子TC35模块与PC机通过RS232收发器相连。
本发明的优点在于借助ZigBee网络的自组织、可异构、低成本，高可靠性，设计一种包含分布式多环境因子检测的无线网络监控系统，避免了为检测多个环境因子而布设多个设施，具备通过GSM网络短信预警功能，主动控制监控网络数据上传和操作设施，同时可随着监控范围的扩大而自由扩展网络覆盖范围，实现整个系统远程报警和控制。整个系统安装维护简单，成本低，使用方便。
附图说明
图1为分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统结构示意图；
图2为本发明无线传感节点硬件结构示意图；
图3为本发明无线路由节点硬件结构示意图；
图4为本发明无线中央控制节点系统结构示意图；
图5为本发明GSM短信报警模块示意图；
图6为本发明无线中央控制节点软件流程图；
图7为本发明无线路由节点软件流程图；
图8为本发明无线传感节点软件流程图。
具体实施
如图1所示，分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统包括多个无线传感节点1、多个无线路由节点2、无线中央控制节点3和GSM短信报警模块4；无线传感节点1包含多种数字传感器，收集多种环境因子数据，是整个网络的终端，可以自由加入或退出无线监控网络，无线路由节点2负责整个网络数据的路由，多个无线路由节点2组成了一个网状网络，无线路由节点2自由加入或退出无线监控网络，1个或多个无线传感节点1与无线路由节点2相连，多个无线路由节点2按照路由最近原则与1个或多个无线路由节点2相连，无线中央控制节点3按照路由最近原则与1个或多个无线路由节点2相连，无线中央控制节点3负责将收集的整个网络的数据传输给PC机，PC机分析收集到的网络数据，当数据符合报警要求时，GSM短信报警模块4向用户发送短信报警信息，用户通过GSM网络主动控制监控网络数据上传和操作设施。无线路由节点2自由加入或退出无线监控网络，实现了网路的自组织性和可拓展性。
如图2所示， ZigBee无线传感节点1的内部模块连接关系为：CC2430微处理器分别与RS232收发器、LDB182G4505C-110变压器、SHT11温湿度传感器、TSL230B光照传感器、PS2811-4光耦相连接，天线与LDB182G4505C-110变压器相连接，PS2811-4光耦与BRT3-SS-105D固态继电器相连接。CC2430微处理器为德州仪器公司（TI）专门设计的ZigBee无线微处理器，其内置有一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，继集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机，可无需外接无线收发模块而只通过LDB182G4505C-110变压器与天线连接，实现数据无线传输。CC2430微处理器有48个引脚，可连接多个数字传感器，SHT11温湿度传感器、TSL230B光照传感器可通过CC2430的外围引脚（如P0引脚）与CC2430相连，将采集的环境温湿度数据和光照数据输入CC2430微处理器，经处理后传递给无线路由节点2。CC2430接收到无线路由节点2传送的命令后，经过分析处理控制PS2811-4光耦实现BRT3-SS-105D固态继电器的导通或断开，从而控制温室设施内的执行设备进行工作。ZigBee无线传感节点采用两节1.5V的5号电池供电，经过实验可连续工作两年左右。
如图3所示， ZigBee无线路由节点2的内部模块连接关系为：CC2430微处理器分别与SST25VF020存储器、RS232收发器、LDB182G4505C-110变压器相连接，天线与LDB182G4505C-110变压器相连接。无线路由节点2负责将无线传感节点1采集的数据路由中继到无线中央控制节点3。SST25VF020存储器用于存储系统网络节点的路由数据表。
如图4所示， ZigBee无线中央控制节点3的内部模块连接关系为：CC2430微处理器分别与SST25VF020存储器、RS232收发器、LDB182G4505C-110变压器相连接，天线与LDB182G4505C-110变压器相连接，RS232收发器与PC机连接。无线中央控制节点3负责汇集网络采集的数据并传递给PC机，PC机可通过无线中央控制节点3向系统网络发送命令。
如图5所示， GSM短信预警模块为西门子TC35模块与PC机通过RS232收发器相连。PC机向短信GSM短信报警模块4发送短信发送命令，GSM短信报警模块4向用户发送报警短信。用户可通过GSM短信报警模块4向PC及发送控制命令，然后由PC机通过RS232收发器向无线中央控制节点3转发命令，控制网络数据上传和设施操作。
如图6所示，无线中央控制节点3是无线网络的发起建立者，其软件实现过程如下：系统软硬件初始化后，检测周围环境信道是否被占用，选择一个空闲的信道，为新网络选择一个网络标识，之后进入循环处理过程：允许无线路由节点2加入网络，接收网络数据并经过处理后传送给PC机，检测PC机是否有命令传递，向无线路由节点2发送控制命令。
如图7所示，无线路由节点2是无线网络数据的中继转发节点，其软件实现过程如下：系统软硬件初始化后，查找周围是否有ZigBee网络，扫描ZigBee信道能量，如果高于阈值，则说明已存在ZigBee网络，可以加入该网络，如果低于阈值，则继续扫描。为了加入无线网络，无线路由节点2向已在网络中的无线路由节点2或者无线中央控制节点3发送信标帧，收到返回的超帧后继续发送连接请求数据包，否则终止加入。 如果继续收到网络返回的确认帧，则发送数据请求网络地址，否则终止加入。如果收到网络返回的网络地址，则表示成功加入网络，否则终止。无线路由节点2成功加入网络后进入循环工作状态，检测是否有无线路由节点2和无线传感节点1加入网络，传送网络数据和命令，发送给无线中央控制节点。
如图8所示，无线传感节点1负责采集环境温湿度数据和光照数据，并启动光照调节设备，器软件实现过程如下：系统软硬件初始化后，查找周围是否有ZigBee网络，扫描ZigBee信道能量，如果高于阈值，则说明已存在ZigBee网络，可以加入该网络，如果低于阈值，则继续扫描。为了加入无线网络，无线路由节点1向已在网络中的无线路由节点2发送信标帧，收到返回的超帧后继续发送连接请求数据包，否则终止加入。 如果继续收到无线路由节点2返回的确认帧，则发送数据请求网络地址，否则终止加入。如果收到无线路由节点2返回的网络地址，则表示成功加入网络，否则终止。当收到网络地址后进入循环工作进程，读取温湿度传感器和光照传感器数据并发送。如果收到网络控制命令，则判断命令类型，成功则输出命令，失败则延时请求重发。

Claims (5)

1.一种分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统，其特征在于包括多个无线传感节点（1）、多个无线路由节点（2）、无线中央控制节点（3）和GSM短信报警模块（4）；无线传感节点（1）包含多种数字传感器，收集多种环境因子数据，是整个网络的终端，可以自由加入或退出无线监控网络，无线路由节点（2）负责整个网络数据的路由，多个无线路由节点（2）组成了一个网状网络，无线路由节点（2）自由加入或退出无线监控网络，1个或多个无线传感节点（1）与无线路由节点（2）相连，多个无线路由节点（2）按照路由最近原则与1个或多个无线路由节点（2）相连，无线中央控制节点（3）按照路由最近原则与1个或多个无线路由节点（2）相连，无线中央控制节点（3）负责将收集的整个网络的数据传输给PC机，PC机分析收集到的网络数据，当数据符合报警要求时，GSM短信报警模块（4）向用户发送短信报警信息，用户通过GSM网络主动控制监控网络数据上传和操作设施。
2.根据权利要求1所述的一种分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统，其特征在于所述的ZigBee无线传感节点（1）的内部模块连接关系为：CC2430微处理器分别与RS232收发器、LDB182G4505C-110变压器、SHT11温湿度传感器、TSL230B光照传感器、PS2811-4光耦相连接，天线与LDB182G4505C-110变压器相连接，PS2811-4光耦与BRT3-SS-105D固态继电器相连接。
3.根据权利要求1所述的一种分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统，其特征在于所述的ZigBee无线路由节点（2）的内部模块连接关系为：CC2430微处理器分别与SST25VF020存储器、RS232收发器、LDB182G4505C-110变压器相连接，天线与LDB182G4505C-110变压器相连接。
4.根据权利要求1所述的一种分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统，其特征在于所述的ZigBee无线中央控制节点（3）的内部模块连接关系为：CC2430微处理器分别与SST25VF020存储器、RS232收发器、LDB182G4505C-110变压器相连接，天线与LDB182G4505C-110变压器相连接，RS232收发器与PC机连接。
5.根据权利要求1所述的一种分布式异构无线传感网络设施农业环境监控预警系统，其特征在于所述的GSM短信预警模块为西门子TC35模块与PC机通过RS232收发器相连。
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