CN102883467A - 用于在线检测苗木生长多参数的双向可调无线传感器节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于在线检测苗木生长多参数的双向可调无线传感器节点，节点的最底部是锥形钻头，锥形钻头上部固定连接四级伸缩杆下端，四级伸缩杆上端固定连接球型铰链，球型铰链上方固定连接摄像机，四级伸缩杆外壁上固定连接数据收发器，四级伸缩杆的各级杆之间是螺旋扣，四级伸缩杆的下端第二级杆内壁上固定连接支架，支架固定连接第一温湿度传感器，四级伸缩杆的最下一级杆内壁上下固定连接第二、第三温湿度传感器；四级伸缩杆的内部设有数据线，三个温湿度传感器和摄像机均通过数据线连接数据收发器；摄像头可实时全方位拍摄苗木的生长态势图像，可上下调节的三个温湿度传感器用于分别测量土壤的浅层、中层、深层的温湿度。

Description

用于在线检测苗木生长多参数的双向可调无线传感器节点

技术领域

本发明涉及一种苗木生长多参数检测的无线传感装置，应用于苗圃培育，属于无线监控领域。

背景技术

苗木是人们普遍喜爱的一种特殊产品，在我国发展苗木产业有利于农业结构调整、农民增收、增加就业及带动相关产业的发展。传统的苗木培育环节都是农民依靠自己的经验常识进行，往往由于人力和技术因素的制约导致苗木培育工作做得不及时、不到位，造成经济损失。

近年来，随着无线传感器网络的迅速发展，国内外研究人员对无线传感网络在苗木培育过程的研究也越来越多，但是，采用的无线传感器节点的功能都比较单一，对于苗木生长态势、土壤温湿度的测量都是独立的，不能把苗木生长的多种相关因子进行集中测量，这样就增加苗木培育的成本和节点部署的难度，因此，苗圃培育领域亟需有集成无线传输功能、多种参数采集、易于快速部署和能够根据苗木生长态势调节的苗木生长参数监测设备。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的需求，提出一种能够集成测量苗木生长态势，土壤温湿度等多种数据采集功能，且根据苗木的高度进行双向调节并且通过自组织的无线网络进行数据传输的无线传感器节点，能节约成本，便于快速实现节点的部署。

本发明采用的技术方案是：节点的最底部是锥形钻头，锥形钻头上部固定连接四级伸缩杆下端，四级伸缩杆上端固定连接球型铰链，球型铰链上方固定连接摄像机，四级伸缩杆外壁上固定连接数据收发器，四级伸缩杆的各级杆之间是螺旋扣，四级伸缩杆的下端第二级杆内壁上固定连接支架，支架固定连接第一温湿度传感器，四级伸缩杆的最下一级杆内壁上下固定连接第二、第三温湿度传感器；四级伸缩杆的内部设有数据线，数据线通过卡子固定于四级伸缩杆的各级杆件内壁上，三个所述温湿度传感器和摄像机均通过数据线连接数据收发器，数据收发器连接收发天线。

本发明的有益效果是：

1、苗木不仅向上生长，还向地下生长，随着苗木的生长，对土壤不同深度的温度和水分要求也不一样，苗木培育过程中，要求无线传感器节点不仅具有低能耗、高可靠等基本特点，还要具有能随苗木生长分阶段上下调节且能在线辨识苗木生长态势的功能。本发明的土壤温湿度传感器可以根据苗木的生长置入不同的土壤层深度，分别用来测量土壤的浅层、中层、深层的温湿度，通过控制算法将浅层土壤的含水量控制在设定的范围内，保持中层土壤稳定的含水量，从而达到灌溉水被苗木根系有效吸收而不会出现过量灌溉水分下渗的情况，也不会出现地下水向上补给出现地下水长期亏损的情况。使用时只要根据实际情况设置合理的土壤水分上下限，这样可以有效的检测苗木生长所需地表深度范围内土壤的温湿度变化情况。因此，本发明的传感器节点集成了可以上下调节的土壤温湿度传感器，土壤的温湿度传感器对苗木生长需要的土壤温度和水分进行测量，以考察土壤的状态，综合分析做出更符合实际情况的判断，对苗木实现及时灌溉和施肥，并且还能够很好的做到苗木生长所需水肥的最佳控制，大大提高苗木的成活率。

2、为了能够检测到苗木生长的覆盖区域，可以根据苗木生长的高度针对性调节摄像头的高度和方位（角度），实时全方位拍摄苗木的生长态势图像，这样就能够全面掌握苗木的生长态势情况，并且根据苗木生长态势图像分析确定苗木的病虫害和修剪情况，为苗木病虫害的预防和治理以及苗木的修剪时机提供了可靠的依据。

3、传感器到收发器之间的数据线采用多芯信号传输弹簧线，通过卡子固定在伸缩杆各级杆件内壁上，可以随着四级伸缩杆的伸缩而伸缩，防止四级伸缩杆的伸缩时信号线被拉断，数据线的接头处用焊锡连接，这样也有效的避免了信号线因被拉断而产生故障，提高了节点的可靠性。

4、在基于多因子苗木生长环境监测的无线传感器网络应用中，往往需要采集土壤温度、土壤湿度、苗木生长态势图像等参数，这就要求节点的传感器单元必须具有温度、湿度、图像等传感器。由于土壤的温度、湿度以及苗木生长态势图像在短时间内变化不大，因此，只要按照一定时间间隔采集相应参数即可，不需要实时采集的，也就是节点采集的参数实时性要求不高。由于节点采集参数的实时性要求不高，可以在规定的时间内，按照一定的顺序分别采集温度，湿度，苗木生长态势图像。这样每次只需要采集一个参数，不存在采集多个参数并发进行的情况，也就不需要多线程以及多任务调度，在这种情况下，微处理器单元使用成本比较低的单片机来完成任务。这样也就大大的减少数据采集和数据通信的难度以及系统的成本

5、为了便于调节传感器的地下深度，在四级伸缩杆的外部刻有标尺, 通过标尺可以知道每次伸缩杆伸缩的位置。

6、在现有苗木的培育中引进无线传感及通信技术，可利用集成化的传感器节点对苗木的生长参数进行测量，解决了传统传感节点功能单一的问题，便于节点的快速部署，节约了成本。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1本发明用于在线检测苗木生长多参数的双向可调无线传感器节点的结构主视图；

图2是图1的左视图；

图3是图1中Ⅰ局部放大图；

图4是图1中Ⅱ局部放大图；

图5是本发明的摄像机、温湿度传感器以及数据收发器的连接结构图；

图中：1.锥形钻头，2.第一温湿度传感器，3.四级伸缩杆，4.数据收发器，5.球形铰链，6.摄像机，7.数据线，8.螺旋扣，9.支架，10.第二温湿度传感器，11.第三温湿度传感器。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明是一种利用无线通信技术设计的多环境因子检测双向可调的无线传感器节点，其最底部是锥形钻头1，便于将传感器插入地下；锥形钻头1的上部采用焊接方式固定连接四级伸缩杆3的下端，四级伸缩杆3与锥形钻头1均采用不锈钢材料制作。在四级伸缩杆3的外壁上固定数据收发器4，在四级伸缩杆3的上端固定焊接球型铰链5，摄像机6用螺钉固定在球型铰链5上方。球型铰链5可实现摄像机6的空间全方位旋转，使摄像机6能够合理的覆盖监测区域，实时掌握苗木的生长态势，这样就能够对苗木实施准确、快速、合理的施肥以及病虫害防治、修剪工作。

四级伸缩杆3的各级之间是标准的螺旋扣8，采用螺旋扣8实现各级的伸缩和固定，松开螺旋扣8时，四级伸缩杆3可自由伸缩，拧紧螺旋扣8时实现四级伸缩杆3的各级固定。其中，四级伸缩杆3最上面两级是用来调节摄像机6的高度，实际应用时可根据苗木的生长态势分别对上端两级进行调整，改变摄像机6的高度。本发明中的摄像机6、球型铰链5、螺旋扣8均可采用市售产品。

再参见图3，在四级伸缩杆3的下端第二级杆内壁上通过螺钉固定连接不锈钢的支架9，在支架9上通过螺钉固定连接第一温湿度传感器2，这样，通过四级伸缩杆3的最下端两级杆的伸缩可改变第一温湿度传感器2在土壤中垂直位置。在下端第二级杆外部刻有垂直位置的刻度，可方便调节第一温湿度传感器2的位置。在四级伸缩杆3的最下一级杆内壁上通过螺钉固定连接第二温湿度传感器10和第三温湿度传感器11，第二温湿度传感器10位于第三温湿度传感器11的上方，即第一、第二、第三温湿度传感器2、10、11依次至上而下间隔设置。由于随着苗木的增长，苗木对土壤不同深度的温度和水分的要求也不一样，因此，四级伸缩杆3的最下端两级可用来调整这三个温湿度传感器在土壤中的竖直位置。

第一、第二、第三温湿度传感器2、10、11均采用电阻式数字温湿度传感器，在这三个温湿度传感器周围的四级伸缩杆3上开都有圆孔，便于这三个温湿度传感器与土壤充分接触。这三个温湿度传感器可以根据苗木的生长置入不同的土壤层深度，分别用来测量土壤的浅层、中层、深层的温湿度。

再参见图4，在四级伸缩杆3的内部安装数据线7，数据线7采用多芯信号传输弹簧线，通过卡子固定在四级伸缩杆3的各级杆件内壁上，防止四级伸缩杆3在伸缩时数据线7被拉断，数据线7的接头处用焊锡连接。

参见图5，将第一、第二、第三温湿度传感器2、10、11和摄像机6均同时连接一个插槽接口，通过插槽接口和数据线7连接数据收发器4，数据收发器4连接收发天线。数据收发器4集成了扩展接口、ATmgea128L微处理器、存储器、无线通信模块CC2420和电源模块，微处理器分别连接无线通信模块和存储器，数据线7连接扩展接口，电源模块为微处理器、存储器、无线通信模块提供电源。由于本发明长期在野外工作，所以将数据收发器4固定在一个密封的铁盒里，在铁盒的侧面留一个小孔便于收发天线伸出盒外收发信号，收发天线和盒子的接触处进行密封，铁盒的外表面涂上一层防潮漆，以防数据收发器4受潮，并且装数据收发器4的盒子通过支架用螺钉固定在四级伸缩杆3的外壁上，

本发明主要集成了测量苗木生长态势、土壤温湿度多种数据采集功能，以及数据处理及无线发射传输等功能，并且根据苗木的高度进行双向调节。这样便于把它作为集成传感器节点合理地分布在苗木的培育区，用于测量苗木生长需要的土壤温度、湿度和实时地监控苗木的生长态势，可以随着的苗木的生长态势来调节摄像机6测量的图像高度以及角度和温湿度传感器深度，能够及时全面的掌握苗木的生长情况。在基于多因子苗木生长环境监测的无线传感器网络应用中，节点需要采集土壤温度、土壤湿度、苗木生长态势图像等参数，这就要求节点的传感器单元必须具有温度、湿度、图像等参数传感器。由于土壤的温度、湿度以及苗木生长态势图像在短时间内变化不大，因此，只要按照一定时间间隔采集相应参数即可，不需要实时采集，也就是节点采集的参数实时性要求不高，可以在规定的时间内，按照一定的顺序分别采集温度、湿度、苗木生长态势图像，并且可以每次只需要采集一个参数，不存在采集多个参数并发进行的情况，也就不需要多线程以及多任务调度，这样就大大减少数据采集和数据通信的难度以及系统的成本。在这种情况下，微处理器单元可使用成本比较低的单片机。

本发明工作时，将无线传感器节点上电后，首先初始化、然后处于监听状态，等待控制命令的到达。微处理器一旦收到控制命令就根据命令判断是否采集温度、湿度和图像。采集后的数根据需要进行发送。如果采集的温湿度是苗木生长阶段的合适温度，就发送正确的温湿度，然后根据实际情况调整三个温湿度传感器的位置以及确定苗木的灌溉情况。根据相应的控制算法将浅层土壤的含水量控制在设定的范围内，保持中层土壤稳定的含水量，从而达到灌溉水被苗木根系有效吸收而不会出现过量灌溉水分下渗的情况，也不会出现地下水向上补给出现地下水长期亏损的情况。使用时只要根据实际情况设置合理的土壤水分上下限，这样可以有效的检测苗木生长所需地表深度范围内土壤的温湿度变化情况，把测量的参数通过数据线7传送到数据收发器4。摄像机6对苗木的生长态势图像进行采集，通过对采集图像分析和识别进而判断是否需要修剪和有无病虫害，能很好地把握苗木的灌溉、施肥以及修剪的最佳时刻，避免了以前仅仅凭借经验盲目的采取培育措施，大大提高了苗木的成活率，节约了成本。

为了能够合理的实现对苗木进行修剪和病虫害处理工作，通过对苗木图像的采集、边缘检测、分割以及苗木图像的特征提取与识别，而且根据所得到的识别结果进行相应的培育措施。由于在自然光条件下，光线的照度有时会不理想，要对图像进行预处理，预处理主要实现对图像亮度、对比度的调整以及平滑滤波，通过对图像亮度和对比度的调整，苗木的图像特征明显、清晰、易于识别。平滑滤波的目的是去掉尖锐不连续的噪声。然后采用基于形状特征的图像分割算法，分割出枝干图像和树叶图像，对枝干图像进行去噪填充后，计算枝干面积S、周长L、重心x坐标                                                

、重心y坐标my等形状特征参数。苗木的面积S等于分割好的图像中黑色素的累积数，周长L等于边缘图像中相邻边缘点之间距离的和，其重心特征参数可分别按（1）~（2）计算得到：

     

                         (1)

   

                         (2)

公式（1）、（2）中M（0,0）为图像的零阶矩；M（1,0）为图像对y轴的矩；M（0,1）为图像对x轴的矩。以苗木的重心高度my、面积S和周长L作为树木形状的描述参数, 完成苗木图像的识别，最后把识别结果与前帧计算结果比较，输出苗木生长态势结果。

对于绿叶图像，为了有效地削弱光照强度对图像处理的影响，采用相对色彩因子的苗木图像分割算法，该方法可以通过公式（3）直接从RGB空间转换到色度空间：

                 

                                (3)

公式中，

表示色度。由于树木叶子的色彩大多为绿色基调，色度图像中的g分量包含了较多的叶子色彩信息，因此利用单通道g分量根据颜色特征进行图像分割，根据虫害面积与叶子总面积的比率，确定虫害的结果。

Claims (4)

1.一种用于在线检测苗木生长多参数的双向可调无线传感器节点，节点的最底部是锥形钻头（1），其特征是：锥形钻头（1）上部固定连接四级伸缩杆（3）下端，四级伸缩杆（3）上端固定连接球型铰链（5），球型铰链（5）上方固定连接摄像机（6），四级伸缩杆（3）外壁上固定连接数据收发器（4），四级伸缩杆（3）的各级杆之间是螺旋扣（8），四级伸缩杆（3）的下端第二级杆内壁上固定连接支架（9），支架（9）固定连接第一温湿度传感器（2），四级伸缩杆（3）的最下一级杆内壁上下固定连接第二、第三温湿度传感器（10、11），四级伸缩杆（3）的内部设有数据线（7），数据线（7）通过卡子固定于四级伸缩杆（3）的各级杆件内壁上，三个所述温湿度传感器和摄像机（6）通过数据线（7）连接数据收发器（4），数据收发器（4）连接收发天线。

2.根据权利要求1所述用于在线检测苗木生长多参数的双向可调无线传感器节点，其特征是：数据收发器（4）集成有扩展接口、微处理器、存储器、无线通信模块和电源模块，数据线（7）连接扩展接口。

3.根据权利要求1所述用于在线检测苗木生长多参数的双向可调无线传感器节点，其特征是：四级伸缩杆（3）的下端第二级杆外部刻有垂直刻度。

4.根据权利要求1所述用于在线检测苗木生长多参数的双向可调无线传感器节点，其特征是：三个所述温湿度传感器均是电阻式数字温湿度传感器，三个所述温湿度传感器周围的四级伸缩杆（3）上均开都有圆孔。

Images