CN103297509B - 基于太阳能无线传感网络节点的监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于太阳能无线传感节点的监测系统，属于农业保护技术领域。由服务器、监控终端、移动监控单元、网络传输模块、无线传感网络节点组成；服务器负责接收并存储无线传感网络节点通过网络传输模块传输的数据信息，网络传输模块、服务器、监控终端、移动监控单元依次顺序双向连接，无线传感网络节点包括移动节点和静态节点，无线传感节点采用太阳能供电模块，通过无线传感网络节点定位和采集闯入生物的信息，准确、及时的发现、确定动物类型，并能进行相关的处理，系统结构简单易行，节约了电能、安全无污染，适合大规模推广应用。

Description

基于太阳能无线传感网络节点的监测系统

技术领域

本发明涉及一种实时远程监控安防系统，具体的是涉及一种基于太阳能无线传感网络节点的监测系统，属于农业保护技术领域。

背景技术

目前在农业、林业等领域进行病虫害的预测、预报、预警等工作的前提是需要对害虫的种类和数量等信息进行及时准确的判断，目前我国现今的害虫监测方式主要为人工调查，然后由测报人员汇报，即人为估计，制定害虫防治策略，这种方式在短期内的预报相对准确，而中长期的预报则相对滞后，同时耗费大量的人力、物力和财力，而且不适合交通不方便的地区，而采用有线网络自动监控系统，有线通信方式布线复杂，劳动强度高，同时铺设速度较慢，容易在建设初期形成安全上的盲点，而且维护成本高，工作现场的通信线路容易遭受破坏，破坏后的恢复周期一般较长，目前采用的无线报警系统由于无线节点长期放置与野外，这样跟换电池相对比较繁琐。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明提供基于混合传感网络的安防监测系统，通过使用该系统，可以及时、准确的确定闯入农田的生物类型，并进行合理处理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于太阳能无线传感网络节点的监测系统，由服务器、监控终端、移动监控单元、网络传输模块、无线传感网络节点组成；服务器负责接收并存储无线传感网络节点通过网络传输模块传输的数据信息，网络传输模块、服务器、监控终端、移动监控单元依次顺序双向连接，其特征在于：所述无线传感网络节点包括移动节点和静态节点，无线传感网络节点具有太阳能供电模块。

所述的太阳能供电模块包括太阳能电池板、太阳能控制器、锂离子电池、备用电池。太阳能电池板通过太阳能控制器与锂离子电池相连；太阳能控制器由微处理器、充电电路、放电电路、检测电路和保护电路组成，它们顺次与微处理器相连；充电电路输入端连接太阳能电池板，输出端连接锂离子电池或者备用电池，放电电路输入端连接锂离子电池，输出端连接用电设备，检测电路连接锂离子电池和用电设备。

所述的传输网络模块由无线网络、串口、以太网交换机、光纤网络构成，无线网络传输的数据通过串口和以太网交换机连接，以太网交换机和光纤网络连接。

该系统通过混合传感网络传输数据，所述的混合传感网络是由移动节点和静态节点组成的传感网络。

所述的静态节点由太阳能供电模块、处理器控制模块、视频感知模块、无线传输模块、导航模块、声光预警模块组成，视频感知模块的输出连接处理器控制模块的输入端，处理器控制模块和无线传输模块、导航模块双向连接，声光预警模块连接到处理器控制模块，太阳能供电模块负责给各个部分进行供电。

所述的静态节点还可以具有存储单元。

所述的移动追踪节点由太阳能供电模块、处理器控制模块、无线传输模块、视频感知模块、移动模块、异常处理模块，无线传输模块和处理器控制模块双向连接，视频感知模块、移动模块、异常处理模块连接至处理器控制模块。

所述的异常处理模块包括声音恐吓单元、药物打针单元、药物喷洒单元。

本发明的有益效果是：准确、及时的发现、确定动物类型，并能进行相关的处理，系统结构简单易行，节约了电能、安全无污染，适合大规模推广应用。

附图说明

图1为安防监测系统结构图。

图2为静态节点结构图。

图3为对最佳路径的选择策略。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

如图1所示，基于太阳能无线传感网络节点的监测系统，由服务器、监控终端、移动监控单元、网络传输模块、无线传感网络节点组成；服务器负责接收并存储无线传感网络节点通过网络传输模块传输的数据信息，并具有常用生物类型的数据信息库，网络传输模块、服务器、监控终端、移动监控单元依次顺序双向连接，监控终端负责访问服务器数据库，实时显示各个工作点的环境参数信息、历史数据查询服务及异常报警服务、移动监控单元简要的现实信息，提供报警等紧急提示功能。监控终端实时提供农场环境分布图，提供超限报警和实时动物或者害虫的位置信息，根据无线传感节点采样的生物图像和服务器里的生物类型数据信息库比较确定生物类型。

传输网络模块由无线网络、串口、以太网交换机、光纤网络构成，无线网络传输的数据通过串口和以太网交换机连接，以太网交换机和光纤网络连接。串口转以太网交换机负责连接光纤网和无线传感网络，通过光纤网，将数据分析的数据传输到服务器。根据农田、林地面积比较大，光纤进入成本比较大，所以农田、林地最理想的选择由无线传感网络(WSN)覆盖，无线传感网络节点获取的数据，通过WSN传输到网关节点，网关节点通过RS232转以太网的交换机与光纤连接，从而实现整个系统的无缝连接。主干网采用千兆单模光纤连接交换机构成，在各巷道中网络采用树状拓扑结构。系统巡检时间小于30秒，数据采集时间，小于0.01秒。交换机实现无线传感网络和光纤网的连接，因此，交换机必须具备光纤和以太网双接口，每个数据分析模块都配置一个静态节点充当网关节点，网关节点通过串口转以太网设备将无线网络接入交换机。

无线传感网络节点是无线传感网络的基本单元。无线传感网络节点为静态节点和移动节点组成的混合传感网络。静态节点和移动节点负责采集农田、林地管辖区域内的环境参数及闯入农田、林地生物的信息，定位系统采用RSSI测距方法，该方法传输距离远，成本功耗低，节点硬件体积小、重量轻。

如图2所示，静态节点由太阳能供电模块、处理器控制模块、视频感知模块、无线传输模块、导航模块、声光预警模块组成，视频感知模块的输出连接处理器控制模块的输入端，处理器控制模块和无线传输模块、导航模块双向连接，声光预警模块连接到处理器控制模块，太阳能供电模块负责给各个部分进行供电，另外，静态节点还可以具有存储单元；静态节点都具有视频、报警功能，同时又具有数据的接收、发送、处理等特点，能够实时定位识别生物的类型和定位闯入农田、林地生物的位置。

各静态节点串联连接，每间隔50米左右放置一个节点。相互之间无线连接，同时各节点附视频采集单元，监测该点环境参数。静态节点的分布可根据农田、林地实际需求布置，农田、林地中节点数量可达到255个。信号传输速率为250Kbps，调制频率为2.4GHz，信号传输半径为50米。静态节点网络主要功能：1)静态节点网络实现自组织、自愈功能。即新节点加入网络，由网络分配新节点的唯一地址；网络中某一节点意外损坏或者电量不足，网络能够寻找新的传输路线，保证网络通讯的畅通。2)每个静态节点不仅采集环境参数信息，而且作为中继节点，上传下级网络节点的监测数据。3)静态节点为跟踪进入农田、林地的生物的位置信息充当信标，为提高定位精度，根据区域环境负责修进入农田、林地的生物的坐标。4)确定闯入的生物的类型。5)当采集到的参数异常时，如有害虫或者动物进入，异常区域的节点则发出报警信息。

移动追踪节点由太阳能供电模块、处理器控制模块、无线传输模块、视频感知模块、移动模块、异常处理模块，无线传输模块和处理器控制模块双向连接，视频感知模块、移动模块、异常处理模块，其中异常处理模块连接至处理器控制模块，包括声音恐吓单元、药物打针单元、药物喷洒单元，移动追踪节点需要借助静态节点的感知和导航功能，移动节点在静态节点的帮助下，处理器控制模块控制移动模块使移动节点朝着最有利于捕获的方向移动以接近目标，完成包括进一步识别生物类型、根据生物种类的不通，采用不用的处理方式，对有害的动物进行恐吓、药物打针或药物喷洒。移动节点可以根据需要增删模块，特殊情况下可以采用市场上小型机器人，移动追踪节点收到追逐请求后，经过可能的任务分配，按照目标的位置和运动模式信息，寻求最佳追逐方案，对于静态目标，我们假设移动传感节点能够以恒定的速率V移动，移动方向由系统计算而定，对于移动节点采用坐标定位，移动节点选择周围的静态节点为参考目标，根据该静态节点以及目标T的位置信息，计算移动节点的追捕策略。在如图3中，移动节点M以静态节点S为参考系，根据目标的估计位置以及静态节点的位置计算了偏离基准节点S方向移动的最佳角度

其中，d_SM、d_MT、d_TS分别是S至M、至T和T至S的距离。

太阳能供电模块包括太阳能电池板、太阳能控制器、锂离子电池、备用电池。太阳能电池板通过太阳能控制器与锂离子电池相连；太阳能控制器由微处理器、充电电路、放电电路、检测电路和保护电路组成，它们顺次与微处理器相连；充电电路输入端连接太阳能电池板，输出端连接锂离子电池，放电电路输入端连接锂离子电池，输出端连接用电设备，检测电路连接锂离子电池和用电设备。

太阳能供电模块主要给无线传感节点供电，太阳能电池板将光能转化为电能在充电电路的作用下，将该能量存储在锂离子电池中，备用电设备使用；当检测电路检测到有用电设备需要工作用电时，经过放电电路将锂离子电池中的电能提供给用电设备；当遇到连续的阴雨天气，检测电路检测到锂离子电池中的电能不能满足用电设备所需的电能时，此时启用备用电池保证用电设备正常工作；当检测电路检测到用电设备过载、短路、过流等异常情况时，保护电路关闭输出，锂离子电池停止供电，等异常排除，供电系统恢复正常工作。

Claims (4)

1.一种基于太阳能无线传感网络节点的监测系统，由服务器、监控终端、移动监控单元、网络传输模块、无线传感网络节点组成；服务器负责接收并存储无线传感网络节点通过网络传输模块传输的数据信息，网络传输模块、服务器、监控终端、移动监控单元依次顺序双向连接，其特征在于：所述无线传感网络节点包括移动追踪节点和静态节点，无线传感网络节点具有太阳能供电模块；太阳能供电模块包括太阳能电池板、太阳能控制器、锂离子电池和备用电池，太阳能电池板通过太阳能控制器与锂离子电池相连；太阳能控制器由微处理器、充电电路、放电电路、检测电路和保护电路组成，它们顺次与微处理器相连；充电电路输入端连接太阳能电池板，充电电路输出端连接锂离子电池或者备用电池，放电电路输入端连接锂离子电池，放电电路输出端连接用电设备，检测电路连接锂离子电池和用电设备；所述网络传输模块由无线网络、串口、以太网交换机、光纤网络构成，无线网络传输的数据通过串口和以太网交换机连接，以太网交换机和光纤网络连接；

移动追踪节点M以静态节点S为参考系，根据目标T的估计位置以及静态节点S的位置计算偏离静态节点S方向移动的最佳角度

${\mathrm{\θ}}_m=\arccos \left(\frac{d_{SM}^2+d_{MT}^2-d_{TS}^2}{2d_{SM}{d}_{MT}}\right)$

其中d_SM、d_MT、d_TS分别是S至M、M至T和T至S的距离；

移动追踪节点由处理器控制模块、无线传输模块、视频感知模块、移动模块、异常处理模块组成，无线传输模块和处理器控制模块双向连接，视频感知模块、移动模块、异常处理模块连接至处理器控制模块；

在确定最佳角度后，移动追踪节点中的处理器控制模块控制移动模块使移动追踪节点接近目标，识别目标的生物类型。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：静态节点由太阳能供电模块、处理器控制模块、视频感知模块、无线传输模块、导航模块、声光预警模块组成，视频感知模块的输出连接处理器控制模块的输入端，处理器控制模块和无线传输模块、导航模块双向连接，声光预警模块连接到处理器控制模块，太阳能供电模块负责给处理器控制模块、视频感知模块、无线传输模块、导航模块和声光预警模块进行供电。

3.根据权利要求2所述的监测系统，其特征在于：静态节点还具有存储单元。

4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：异常处理模块包括声音恐吓单元、药物打针单元和药物喷洒单元。