CN102984217A - 一种基于无线传感器网络的虚拟农场现实化的系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机技术领域，涉及一种基于无线传感器网络的虚拟农场现实化的系统。本发明包括无线传感器网络和internet网络两部分，无线传感器网络部分由分布在农场中的传感器节点、执行器节点以及网关节点组成；internet网络部分由一个远程服务器以及至少一个用户客户端组成。本系统利用无线传感器网络将虚拟农场与真实农场结合起来，充分发挥了无线传感器网络的优势，创造出了一种虚拟与现实相结合的体验方式。传感器节点用于采集农作物生长的相关参数，并将数据传输到远程服务器，用户通过用户客户端查看植物生长情况，并根据具体情况决定是否对农场管理者或远端执行器节点下发命令，对植物进行浇水、喷药、采摘等操作。

Description

一种基于无线传感器网络的虚拟农场现实化的系统

技术领域

本发明涉及虚拟农场的现实化技术领域，特别是一种基于无线传感器网络的虚拟农场现实化的技术。

背景技术

近年来随着互联网的飞速发展，虚拟农场作为一种以种植为主的社交类游戏风靡一时。目前互联网上存在着各式各样的虚拟农场类游戏，如腾讯公司的QQ农场和开心网的开心农场，普通用户可以在虚拟农场中种植虚拟蔬菜和水果或养殖一些虚拟鱼类和动物，待较短的“生长周期”后便可收获虚拟的劳动成果。其采用虚拟的等级积分制度和金币制度满足用户栽种植物养殖动物并收获劳动果实的娱乐需求和精神需求。但这些虚拟农场类游戏满足的仅仅是人们精神层面上的需求，无法满足某些城市内工作繁忙而又有栽种真实植物和收获真实果实市民的需求。因此，将虚拟农场进行现实化的技术应运而生。

无线传感器网络技术是近年来新兴的具有低功耗、低成本、分布式和自组织等的特点的通讯技术，它集传感器技术、微机电系统技术、嵌入式计算技术、无线通信技术和分布式信息处理技术于一体，在物联网建设方面具有很多的应用。有别于已有的单纯的虚拟农场类游戏，利用无线传感器网络技术可将虚拟农场与现实农场很好的结合在一起，使人们不局限于虚拟游戏，还能更进一步的享受自己的真实劳动成果，使人们获得收获真实植物的乐趣和更大的成就感。

对于虚拟农场现实化，目前已经提出了一些方案。但这些方案多为单纯的现实版虚拟农场，并未将虚拟农场与现实农场相结合，更没有提出具体的实施结合方法。

对于将无线传感器网络技术用于虚拟农场现实化的系统的研究尚未见报道。

发明内容

本发明提出了一种利用无线传感器网络技术对虚拟农场进行现实化的系统，其利用无线传感器网络低功耗、低成本、自组织等特点，构建一种符合低碳环保绿色农业理念的虚拟农场现实化的系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无线传感器网络的虚拟农场现实化的系统，包括两部分：

第一部分，由分布在真实农场中的网关节点、传感器节点以及执行器节点组成的具有自组织、多跳的无线传感器网络，用来传递数据和信息。

第二部分，上述的网关节点以无线方式与远程服务器相连，远程服务器连接到internet网络，至少一个用户客户端通过internet访问远程服务器。

网关节点由微控制器、射频收发模块、FLASH存储模块、供电模块和无线通信模块组成，供电模块分别与微控制器、射频收发模块和无线通信模块相连接，微控制器分别与射频收发模块、FLASH存储模块、供电模块以及无线通信模块相连接。

传感器节点由微控制器、键盘、LCD显示屏、FLASH存储模块、射频收发模块、供电模块和传感器模块组成，供电模块分别与传感器模块、微控制器和射频收发模块相连接，微控制器分别与供电模块、射频收发模块、传感器模块、FLASH存储模块、键盘以及LCD显示屏相连接，所述传感器节点包括以下几类：

（1）检测土壤湿度功能的传感器节点；

（2）检测土壤中氮、磷、钾含量功能的传感器节点；

（3）检测环境温度和光照强度功能的传感器节点；

（4）带有摄像头并可以实时采集植物图像的传感器节点。

执行器节点由微控制器、键盘、LCD显示屏、FLASH存储模块、射频收发模块、供电模块和执行器模块组成，供电模块分别与执行器模块、微控制器和射频收发模块相连接，微控制器分别与供电模块、射频收发模块、执行器模块、FLASH存储模块、键盘以及LCD显示屏相连接，所述执行器节点，包括以下几类：

（1）自动播种功能的执行器节点；

（2）自动浇水功能的执行器节点；

（3）自动施肥功能的执行器节点；

（4）自动喷药功能的执行器节点。

用户客户端可以分为手机客户端和PC机客户端，用户可将其安装在智能手机、PC机或其他可联网的手持终端设备上进行使用。

为体现低碳环保绿色农业的理念并充分体现无线传感器网络的特点，传感器节点、执行器节点和网关节点都利用太阳能电池板进行供电，太阳能电池板先向锂电池进行供电，再由锂电池向节点进行供电；并且所述传感器节点和所述执行器节点都采用休眠机制，在不工作期间均进入休眠状态以节省电能。

本发明利用无线传感器网络将虚拟农场与真实农场结合起来，充分发挥了无线传感器网络的优势，创造出了一种虚拟与现实相结合的体验方式。传感器节点用于采集农作物生长的相关参数，并将数据传输到远程服务器，用户通过用户客户端查看植物生长情况，并根据具体情况决定是否对农场管理者或远端执行器节点下发命令，对植物进行浇水、喷药、采摘等操作。

附图说明

图1基于无线传感器网络的虚拟农场现实化系统的总体结构图。

图2无线传感器网络传感器节点整体结构图。

图3无线传感器网络执行器节点整体结构图。

图4无线传感器网络网关节点整体结构图。

图5基于无线传感器网络的虚拟农场现实化方法的总流程图。

图6用户客户端界面功能分布简图。

具体实施例

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，描述了本发明的整体结构分布图。本系统包括传感器节点、执行器节点、网关节点、远程服务器以及用户客户端。分布在真实农场中的传感器节点、执行器节点和网关节点组成无线传感器网络，他们利用自身的射频模块进行无线数据传输，网关节点利用3G模块与远程服务器进行无线通信，用户客户端通过internet访问远程服务器。

如图2所示，描述了无线传感器网络传感器节点整体结构图。传感器节点上的传感器模块对植物生长参数进行采集，并将采集到的数据进行打包处理，通过射频收发模块传输到网关节点，网关节点发送来的命令数据亦通过其射频接收模块进行接收。传感器节点上装有键盘和LCD显示屏这样的人机交互接口，键盘可方便农场管理者协助采集传感器不易采集的参数，例如：农场管理者发现地块中有杂草，会按动键盘上的相应按钮来将该信息传递给远程服务器，又如植物处于不健康状态时，农场管理者按动键盘上的相应按钮来将该信息上报远程服务器。LCD显示屏增强了农场管理者对传感器节点的可操作性。

如图3所示，描述了无线传感器网络执行器节点整体结构图。执行器节点的射频收发模块接收网关节点下发的命令数据，并控制执行器模块进行相关操作。安装键盘和LCD显示屏便于农产管理者操作执行器节点以帮助用户管理植物，执行器节点只有收到系统或用户通过客户端下发的命令时才执行相应的操作。对植物的管理由执行器节点和农场管理者共同完成的，执行器节点完成容易实现的操作，如浇水、施肥、喷药操作，农场管理者完成执行器节点不易实现的操作，如采摘。

如图4所示，描述了无线传感器网络网关节点整体结构图。网关节点通过射频收发模块接收传感器节点和执行器节点发送来的数据包，再将其进行存储和处理，通过3G模块传输至远程服务器进行存储。从远程服务器下发的命令数据亦通过3G模块传输至网关节点，再通过射频收发模块传输至相应的传感器节点或执行器节点。

由于单个传感器节点或执行器节点通信范围有限，因此均采用由远及近的多跳方式将数据传输至网关节点并传输至远程服务器，同样的，所述远程服务器下发的数据亦通过网关节点以多跳的方式传输到各个传感器节点或执行器节点。

如图5所示，描述了基于无线传感器网络的虚拟农场现实化方法的总流程图，其具体步骤如下：

步骤S501，首先开启传感器节点、执行器节点、网关节点，组成自组织、多跳的无线传感器网络，远程服务器连接到internet网络；

步骤S502，用户下载客户端，注册自己的账号，通过用户客户端购买植物种子和适当大小土地的使用权限，用户可购买的种子种类繁多，包括蔬菜、花卉和水果，通过客户端登陆后，用户发出在指定地块上种植指定植物的命令；

步骤S503，播种命令数据通过远程服务器传输到带有播种功能的执行器节点，执行器节点收到命令后在用户指定的土地上种植指定的植物；

步骤S504，在植物生长过程中，传感器节点定时采集植物生长参数，并将采集到的数据上传至远程服务器；

步骤S505，用户使用PC机或者手机等设备登录用户客户端查看植物的生长参数，并决定是否对植物进行操作管理；

步骤S506，如果生长参数不满足植物生长要求，远程服务器向用户发出警报信息，提示用户下达必要的操作命令；

步骤S507，用户查看到警报信息后下达操作命令，执行器节点或农场管理者将执行相应操作，若用户未下达命令，系统代用户下达必要的操作命令，在系统为发出警报信息的情况下，用户亦可下达操作命令，例如，用户种植了一株番茄，传感器节点检测到它的土壤湿度为5%，经远程服务器判定该参数不适合番茄的生长，远程服务器将“土壤湿度为5%，影响番茄正常生长，需浇水”的警报信息传达给用户，得知消息后，用户可通过客户端控制执行器节点为番茄浇水，如果用户没有浇水，系统将代为下发浇水命令；

    步骤S508，植物成熟后用户下达采摘命令，农场管理者人工对指定植物进行采摘，并依照用户意愿将采摘到的果实或花卉出售返现或根据用户提供的邮寄地址邮寄给用户。

如图6所示，描述了用户客户端界面的功能分布简图。用户使用账号和密码登陆之后，界面的最上方为用户名、经验和用户等级，当用户点击农场区①中的相应植物时，参数显示框③会显示植物的实时照片和生长参数，用户通过这些信息来掌握植物的生长情况，若生长环境参数显示“需要浇水”，用户可以通过点击操作面板②中的“浇水”选项来控制远端执行器节点进行浇水操作，在这里，植物是否健康成长是由传感器采集的植物生长参数和农场管理者提供的信息共同决定的，只有在两者都认为植物健康的情况下远程服务器才会判定植物处于健康状态。用户可以通过点击界面左边的用户列表④进入其他用户农场界面，以此查询其他用户的农场情况以及经验和等级，了解自己的农场管理水平和等级排名情况，以激励用户自己精心照顾自己的农场。

为了增加整个种植过程的趣味性，提高用户的种植热情，在整个过程中引入经验等级制度，用户在提升等级之后会获得相应的奖励，如获得蔬菜或花卉的种子或减免一定的土地使用费用。用户还可以与其他的用户进行等级比较，通过比较督促自己精心照顾自己的农场，在以下情况发生时用户会获得相应的经验值，并在经验到达一定值时提升自己的等级：

①用户种植了一株植物会获得种植经验值；

②用户所种植的植物持续健康生长了一天会获得基础生长经验值，在此基础上植物连续健康生长的天数越多，在接下来的一天将要获得的生长经验值会更多，直到植物不再健康生长，用户将不会获得此种经验值奖励，当植物再次健康生长时由植物持续健康生长所获得的经验值会从基础经验值重新算起，植物是否健康生长由农场管理者依据丰富的种植经验判定；

③在收到远程服务器的普通提示时，用户及时的对植物进行了浇水、施肥、喷药的操作会获得较多的管理经验值；

④在收到远程服务器的警报信息时，用户及时对植物进行了浇水、施肥、喷药的操作会获得较少的管理经验值，此时植物进入不健康状态；

⑤在收到远程服务器的警报信息一段时间后仍未对植物进行浇水、施肥、喷药操作时，用户不会获得管理经验值；

⑥一株植物成熟并成功的采摘时，用户会获得较丰厚的收获经验。

以上为本发明的优选实施例，并不限制本发明，各种修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无线传感器网络的虚拟农场现实化的系统，其特征在于包括两部分，包括：

第一部分，由分布在真实农场中的网关节点、传感器节点以及执行器节点组成的具有自组织、多跳的无线传感器网络，用来传递数据和信息；

第二部分，上述的网关节点以无线方式与远程服务器相连，远程服务器连接到internet网络，至少一个用户客户端通过internet访问远程服务器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的网关节点由微控制器、射频收发模块、FLASH存储模块、供电模块和无线通信模块组成，供电模块分别与微控制器、射频收发模块和无线通信模块相连接，微控制器分别与射频收发模块、FLASH存储模块、供电模块以及无线通信模块相连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的传感器节点由微控制器、键盘、LCD显示屏、FLASH存储模块、射频收发模块、供电模块和传感器模块组成，供电模块分别与传感器模块、微控制器和射频收发模块相连接，微控制器分别与供电模块、射频收发模块、传感器模块、FLASH存储模块、键盘以及LCD显示屏相连接，所述传感器节点包括以下几类：

（1）检测土壤湿度功能的传感器节点；

（2）检测土壤中氮、磷、钾含量功能的传感器节点；

（3）检测环境温度和光照强度功能的传感器节点；

（4）带有摄像头并可以实时采集植物图像的传感器节点。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的执行器节点由微控制器、键盘、LCD显示屏、FLASH存储模块、射频收发模块、供电模块和执行器模块组成，供电模块分别与执行器模块、微控制器和射频收发模块相连接，微控制器分别与供电模块、射频收发模块、执行器模块、FLASH存储模块、键盘以及LCD显示屏相连接，所述执行器节点，包括以下几类：

（1）自动播种功能的执行器节点；

（2）自动浇水功能的执行器节点；

（3）自动施肥功能的执行器节点；

（4）自动喷药功能的执行器节点。

5.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述的用户客户端分为手机客户端和PC机客户端。

6.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述的传感器节点、执行器节点和网关节点都利用太阳能电池板进行供电，太阳能电池板先向锂电池进行供电，再由锂电池向节点进行供电。

7.根据权利要求5任一所述的系统，其特征在于，所述的传感器节点、执行器节点和网关节点都利用太阳能电池板进行供电，太阳能电池板先向锂电池进行供电，再由锂电池向节点进行供电。

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