CN102821487A - 基于WebGIS空间数据库的设施农业温湿度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明是基于无线传感器网络和网络地理信息系统平台研制的设施农业生态环境监测系统，可较好地解决需全天候在设施农业环境内监测温、湿度的困难。主要包括全IP无线传感器网络、传输网络、空间数据库及WebGIS平台，实现对温、温度的实时远程监测，实现了无线传感器网络与Internet的无缝链接以及基于数据驱动空间数据库的各种操作。放置在公共活动区域的液晶屏显示系统可实时显示用户设置的时间间隔内设施环境内外温湿度的环境参数，当环境参数超过用户设置的范围时，系统可通过短信或鸣笛的方式向用户进行报警。同时用户可通过手机短信查询和定制设施农业环境内实时温、湿度信息或登陆Internet查询、分析温湿度信息。

Description

基于WebGIS空间数据库的设施农业温湿度监测系统

技术领域

本发明涉及设施农业环境监测系统，具体涉及基于WebGIS空间数据库的设施农业温湿度监测系统。

背景技术

全球变暖，种植业首当其冲受到冲击，农业生产面临着更严重的气象灾害。

设施农业属利用人工建造的设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚，走向现代工厂化农业、环境安全型农业生产、无毒农业，其核心设施就是环境安全型温室、环境安全型畜禽舍、环境安全型菇房。

设施农业能在一定程度上摆脱气候对农业生产的不利影响，成为资源高利用型产业。温、湿度是影响农作物生长的最重要因素，对温、湿度信息的及时掌握与调控直接关系到作物的生产状况及产量。一种可实现对温、湿度信息实时监测的设施农业监测系统，成为目前重要的开发课题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以解决上述问题的设施农业温湿度监测系统。

本发明采用了一种基于WebGIS空间数据库的设施农业温湿度监测系统，包括全IP无线传感器网络、传输网络、空间数据库及WebGIS平台。

所述全IP无线传感器网络包含若干传感器节点，所述每个传感器节点支持IPv6协议并拥有全球唯一的IP地址，与所述互联网节点采用统一的IPv6协议进行点到点通信。

所述的传感器节点包括两部分：一部分是设置在待监测设施农业环境内的用于采集温、湿度信息的监测传感器节点；另一部分是设置在待监测设施农业环境内的用于对传感器节点进行空间定位的GPS模块。

所述监测传感器节点，包括温度、湿度传感器组、2.4G无线收发模块、中央处理器CPU、数据采集通道组成。

所述的温度、湿度传感器组用于采集温、湿度信息。温度、湿度传感器组采用的数字传感器，可与节点的信号采集板上预留的接口相连。

所述的数据采集通道J1-J8提供了多路4～20mA的模拟信号标准接口，多种数据信号接口(包括232接口，485接口，SPI接口，以及可定制的串行IO)。扩展接口是为了方便加接传感器时预留的电源扩展口。

所述的2.4G无线收发模块用于实现与网关之间的数据交换，与基站之间组成无线数据采集内网。

所述的2.4G无线收发模块，中央处理器CPU集成为JN5139。采用此模块作为接收模块应用，RS232③与基站相连接。

所述的传输网络包括网关与internet。

所述的网关用于全IP传感器网络与互联网的直接接入，完成IP协议栈的转化和IP数据包的路由转发。

位于Internet上的用户可通过所述的WEBGIS平台访问传感器节点，直接获取监测环境内的温、湿度数据，或者通过空间数据库查询温、湿度数据，同时还可以通过WebGIS平台对温、湿度数据进行查询、统计、决策分析等功能。

所述的空间数据库主要用于存储传感器节点的空间位置信息、IP地址和传感器节点采集的温、湿度数据，被设计为基于数据驱动的模式，以不同的数据层进行组织存储，包括温、湿度数据、基础地理数据与业务应用数据。

所述的WebGIS平台主要用于用户对温、湿度数据进行查询、统计分析、决策分析等操作。

本发明所述系统中，传感器节点初始化时，向网关发送分配IP的请求，网关根据九宫格算法分配给该节点IP地址，并将传感器节点的IP地址、空间位置信息传送给空间数据库进行注册。

所述九宫格算法，根据IPv6地址映射，以网关节点的网络地址为基础，按地理位置建立路由表。首先对WSN节点进行编址，并为其映射IPv6地址。建立WSN网络拓扑结构，基于九宫格，按顺时针方向计算每个节点的连接度，然后根据连接度计算通信能力，并查找空洞。由通信能力最大的节点记录所有节点的通信信息，查找路由表，进行逐格路由，转发数据包。

本发明所述系统中，互联网节点对设施农业环境中的温、湿度监测主要包括以下过程：

所述互联网节点通过所述的WebGIS平台向所述的空间数据库发送查询某设施环境范围内的温、湿度信息的请求。

所述的空间数据库将空间范围所对应的传感器节点IP地址通过WebGIS平台传送给互联网节点。

所述的互联网节点通过WebGIS平台选择一个监测环境节点并通过IP地址向对应的监测传感器节点发送查询温、湿度信息的指令；所述查询指令通过网关将指令转发到对应的监测传感器节点。

所述对应的监测传感器节点将采集的温、湿度信息返回给网关，由网关将温、湿度数据转发给互联网节点。

所述的传感器节点定时将温、湿度数据通过所述的网关节点传送给空间数据库备份。

所述互联网节点(WebGIS平台)判断接收到的温、湿度数据是否超出预设的温、湿度范围，如果超过的话，进行步骤7，否则进行步骤8.

所述互联网节点(WebGIS平台)发出警笛声，进行报警，并弹出相应的对话框，告知目前的温、湿度信息。

结束。

本发明所述系统中，WebGIS平台还用于温、湿度数据的基于时间序列的统计及数据挖掘，包括以下步骤：

所述互联网节点通过所述的WebGIS平台向所述的空间数据库发送统计、挖掘某设施环境范围内的温、湿度信息的请求。

所述的空间数据库将空间范围所对应的传感器节点的温、湿度信息进行查询，提取。

所述的空间数据库将查询到的温、湿度数据按照统计、挖掘的要求，进行统计、汇总，并将信息通过WebGIS平台传送给互联网节点。

本发明提供了一种基于WebGIS空间数据库的设施农业温湿度监测系统，在所述系统中，采用基于IPv6协议的通讯接入广域互联网，实现WSN与广域网的无缝连接，从而实现温、湿度信息的无线远程监测；在所述系统中，采用空间数据库技术，将数据按逻辑类型以不同的数据层进行组织存储，实现空间数据与属性数据的一体化存储与查询；在所属系统中，采用地理统计、地统计分析、蒙特卡罗模型、布尔叠加、多元分析、缓冲分析、趋势分析等方法，分析温湿度与作物产量之间的空间分布关系。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明。

图1本发明所述的系统逻辑结构图

图2本发明所述的系统流程图

图3本发明所述的传感器节点结构示意图

图4本发明所述的监测设施农业温、湿度信息流程示意图

图5本发明所述的系统数据挖掘流程示意图

具体实施方式

图1所示的是本发明所述系统逻辑结构图，主要由5部分组成：全IP无线传感器网络、传输网络、互联网节点、空间数据库和WebGIS平台。全IP无线传感器网络由传感器节点组成，每个传感器节点都支持精简的IPv6协议，并且拥有全球唯一的IP地址，与互联网节点采用IP协议进行点对点的通信。传感器节点主要包括两部分：一种是设置在设施农业监测环境温、湿度信息的传感器组；另一种是设置在设施农业监测环境内用于节点进行定位的GPS模块。传输网络包括网关和Internet。网关用于全IP无线传感器网络与互联网的无缝连接，互联网节点通过WebGIS平台对数据进行挖掘、分析；并且可通过访问传感器节点直接获取温、湿度信息及相应的空间位置信息。空间数据库主要用于存储传感器节点的IP地址、空间位置信息和节点采集的温、湿度信息。WebGIS平台介于互联网节点与空间数据库之间，用于互联网节点通过WebGIS平台上的统计分析、查询、浏览等功能模块，对空间数据库中的数据进行分析和展示。

图2为本发明所述的系统流程图，系统流程主要分为四部分：WSN数据采集，数据传输，数据查询分析和数据展示。WSN数据采集流程是这样的：首先，传感器节点根据设施农业监测环境的需要将温、湿度传感器和GPS定位模块集成到传感器节点中，然后根据设施农业的监测环境布设节点，节点采集设施环境内的温、湿度信息和空间定位信息，温、湿度信息经过冗余处理后，向外发送传输。数据传输用于完成WSN与互联网的连通，并将采集的温、湿度信息、空间位置信息和IP地址信息传送给数据库，以便备份，数据查询、分析模块通过调用数据库的数据对数据进行查询、分析和挖掘，最终将查询、分析的结果以地图、统计图表等形式展示出来。此外，用户还可通过IP地址直接访问传感器节点，获取或查询传感器节点的温、湿度信息。

图3所示的是本发明所述的传感器节点结构示意图。

传感器节点由5部分组成：2.4G收发模块、中央处理器CPU、数据采集通道、温湿度传感器组、GPS模块。传感节点通过无线收发模块接收来自Internet用户的命令，中央微处理器处理数据包中命令并进行解释，并通过无线收发模块发送温湿度传感器组采集的信息及GPS模块采集的节点位置信息，节点支持IPV6协议，并拥有全球唯一IP地址。

图4为本发明所述的系统监测设施农业温、湿度信息流程示意图。其监测流程如下：

所述互联网节点通过所述的WebGIS平台向所述的空间数据库发送查询某设施环境范围内的温、湿度信息的请求。

所述的空间数据库将空间范围所对应的传感器节点IP地址通过WebGIS平台传送给互联网节点。

所述的互联网节点通过WebGIS平台选择一个监测环境节点并通过IP地址向对应的监测传感器节点发送查询温、湿度信息的指令；所述查询指令通过网关将指令转发到对应的监测传感器节点。

所述对应的监测传感器节点将采集的温、湿度信息返回给网关，由网关将温、湿度数据转发给互联网节点。

所述的传感器节点定时将温、湿度数据通过所述的网关节点传送给空间数据库备份。

所述互联网节点(WebGIS平台)判断接收到的温、湿度数据是否超出预设的温、湿度范围，如果超过的话，进行步骤7，否则进行步骤8.

所述互联网节点(WebGIS平台)发出警笛声，进行报警，并弹出相应的对话框，告知目前的温、湿度信息。

结束。

图5为本发明所述的系统数据挖掘流程示意图。其数据挖掘流程如下：

所述互联网节点通过所述的WebGIS平台向所述的空间数据库发送统计、挖掘某设施环境范围内的温、湿度信息的请求。

所述的空间数据库将空间范围所对应的传感器节点的温、湿度信息进行查询，提取。

所述的空间数据库将查询到的温、湿度数据按照统计、挖掘的要求，进行统计、汇总，并将信息通过WebGIS平台传送给互联网节点。

Claims (7)

1.一种基于WebGIS空间数据库的设施农业温湿度监测系统，其特征在于，包括全IP无线传感器网络、传输网络、空间数据库与WebGIS平台。

2.根据权利要求1所述的一种基于WebGIS空间数据库的设施农业温湿度监测系统，其特征在于，所述无线传感器网络包括温湿度传感器组、节点模块：

温度、湿度传感器组是部署于设施农业环境中用于温度与湿度信息采集的传感器，采用的数字传感器，可与节点的信号采集板上预留的接口相连；

节点模块由数据采集节点由2.4G无线收发模块、中央处理器CPU、数据采集通道、GPS模块组成；

所述的2.4G无线收发模块用于实现与基站之间的数据交换，与基站之间组成无线数据采集内网；

所述的2.4G无线收发模块，中央处理器CPU集成为JN5139，采用此模块作为接收模块应用，RS232③与基站相连接；

所述的数据采集通道J1-J8提供了多路4～20mA的模拟信号标准接口，多种数据信号接口(包括232接口，485接口，SPI接口，以及可定制的串行IO)，扩展接口是为了方便加接传感器时预留的电源扩展口；

GPS模块用于对节点进行空间定位。

3.根据权利要求1所述的一种基于WebGIS空间数据库的设施农业温湿度监测系统，其特征在于，所述传输网络包括网关与Internet，网关用于支持IPv6的无线传感器网络与Internet的接入，并进行数据包的路由转发。

4.根据权利要求1所述的空间数据库，其特征在于，以面向数据的应用为核心，基于数据驱动的空间数据库，将数据按逻辑类型以不同的数据层进行组织存储，实现空间数据与属性数据的一体化存储与查询，包括温湿度数据、基础地理数据与业务应用数据。

5.根据权利要求1所述的WebGIS平台，其特征在于，系统采用B/S架构模式，为系统提供数据查询服务、数据分析服务和决策支持服务：

位于Internet上的用户可通过WebGIS平台访问传感器节点，直接获取监测环境内的温、湿度数据，或通过空间数据库查询温、湿度数据，同时还可以通过WebGIS平台对温、湿度数据进行查询、统计、决策分析等功能。

6.如权利要求1所述的基于WebGIS空间数据库的设施农业温湿度监测系统，其特征在于：传感器节点初始化时，向网关发送分配IP的请求，网关根据九宫格算法分配给该节点IP地址，并将传感器节点的IP地址、空间位置信息传送给空间数据库进行注册；

所述九宫格算法，根据IPv6地址映射，以网关节点的网络地址为基础，按地理位置建立路由表。首先对WSN节点进行编址，并为其映射IPv6地址；建立WSN网络拓扑结构，基于九宫格，按顺时针方向计算每个节点的连接度，然后根据连接度计算通信能力，并查找空洞；由通信能力最大的节点记录所有节点的通信信息，查找路由表，进行逐格路由，转发数据包。

7.如权利要求5所述的基于WebGIS空间数据库的设施农业温湿度监测系统，其特征在于：本发明所述系统中，WebGIS平台还用于温、湿度数据的基于时间序列的统计及数据挖掘，包括以下步骤：

步骤1：所述互联网节点通过所述的WebGIS平台向所述的空间数据库发送统计、挖掘某设施环境范围内的温、湿度信息的请求；

步骤2：所述的空间数据库将空间范围所对应的传感器节点的温、湿度信息进行查询，提取；

步骤3：所述的空间数据库将查询到的温、湿度数据按照统计、挖掘的要求，进行统计、汇总，并将信息通过WebGIS平台传送给互联网节点。

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