CN103325064B - 植物园物联网智能管理系统及其智能管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物园物联网智能管理系统及其智能管理方法，包括标签节点、定位传感器节点、zigbee路由器和协调中心，标签节点、定位传感器节点、zigbee路由器之间相互通信并依次连接组成一个定位单元，该系统包括若干个所述定位单元，各定位单元分别与协调中心相连并相互通信，所述协调中心连接到互联网。每棵树木上的标签节点有唯一的标识ID，方便交易时定位树木；手持终端中对标签有粗略的定位算法，便于寻找出离手持端最近的标签节点；定位传感器使得阅读器以自组网的方式连接起来，实现区域定位与监控；振动传感器模块和终端监控系统同时对标签位置的改变作出报警，实现双重预警功能。

Description

植物园物联网智能管理系统及其智能管理方法

技术领域

本发明涉及一种区域定位与监控系统及其监控方法，特别涉及一种实现对植物园中名贵树木的实时监控和管理的植物园物联网智能管理系统及其智能管理方法。

背景技术

当今的城市里高楼林立，车行如梭，烟尘弥漫，工作节奏很快，缺乏自然美，易使人产生压抑感、疲劳感、缺乏宁静感。美好的园林景色，能满足人们的观赏需求，由于它能产生负氧离子，还能在一定程度上满足人们的生理需求，有益于身心健康。

但植物园为室外条件，树木分布广泛，人工监护和管理难度较大。所以在植物园中建立区域定位与管理平台尤为重要。而室外定位一般采用GPS定位技术，其覆盖范围大，但是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，树林等。且定位精度不高，因此GPS定位技术只适用于开阔的室外，且成本较高。所以不适合茂密的植物园。而植物园面积较大，树木分布广泛，人工管理难度较大。所以智能化的植物园监控管理技术显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中园林监控系统中存在的上述问题，本发明提供一种植物园物联网智能管理系统及其智能管理方法。

本发明的技术方案是：

植物园物联网智能管理系统，包括标签节点、定位传感器节点、zigbee路由器和协调中心，所述标签节点、定位传感器节点、zigbee路由器之间相互通信并依次连接组成一个定位单元，所述植物园物联网智能管理系统包括若干个所述定位单元，各定位单元分别与协调中心相连并相互通信，所述协调中心连接到互联网；

所述标签节点包括修正标签和未知标签，所述修正标签用于不断地修正未知标签的定位参数，提高系统的定位精度，所述标签节点设置于植物盆体上；

所述定位传感器节点包括相互连接的阅读器、Zigbee模块和射频收发模块，定位传感器节点用于通过射频收发模块接收标签节点的信息，将接收到的标签信息及相应的RFID标签的ID号提取、打包后通过zigbee传感网络传至所在定位单元中的zigbee路由器；

所述协调中心包括zigbee主模块和服务器，协调中心用于将经Zigbee路由器传来各路的数据在后台进行未知节点位置的计算并给出相应的控制信息，后台服务器用于对数据进行融合、各节点管理、整个植物园的安全监控。

进一步，所述未知标签包括振动传感器、MCU中央处理器、无线收发模块、天线以及电源模块，所述振动传感器、MCU中央处理器、无线射频收发模块、天线依次连接并相互通信，所述电源模块用于给MCU中央处理器、无线射频收发模块供电。

进一步，还包括手持终端，所述手持终端包括ARM芯片、无线收发模块、天线、显示模块、键盘、FLASH模块、SDRAM模块和电源模块，所述ARM芯片、无线收发模块、天线依次连接并相互通信，所述显示模块、键盘、FLASH模块、SDRAM模块分别与ARM芯片连接并通信，所述电源模块用于给ARM芯片、无线收发模块供电。

植物园物联网智能管理方法，具体包括如下步骤：

（1）服务器将植物园中树木分布的相关信息上传至官方网站上，游客通过手持终端查询自己感兴趣的对象进行观赏；

（2）游客手中的手持终端通过无线收发模块与天线同附近标签节点进行通信，接收邻近标签节点的编号及对应的信号衰减值，在手持终端上通过比较信号衰减大小判断出离游客最近的植物，并显示定位结果信息；

（3）当出现包括植物被盗窃的异常现象时，植物的机械振动超过预定限值，标签节点中的振动传感器发出中断信号并通过无线传感网传至后台，后台服务器发出报警警示，同时，手持终端发现记录的标签具体位置有异常变动，也发出报警。

进一步，所述定位结果的定位方法采用基于距离的定位方法，具体步骤如下：

（1）未知标签节点与定位传感器节点通信，获得相关的信号强度值并将这些信息与自身的ID号最终上传至后台，在后台根据信号衰减值RSSI与衰减模型换算出距离值；

（2）根据距离值采用极大似然估计法得出标签的具体位置；

（3）修正未知标签节点的位置：记录修正标签与定位传感器节点互相通信的信号衰减值，定位传感器的位置已预先设定好，将已知的距离d和测得的信号衰减值RSSI带入衰减模型中，不断更新模型中的环境因子与传播因子，模型更新的时间由系统设定。

进一步，所述衰减模型采用经验损耗模型。

进一步，在所述步骤（1）之前先将园林地图存储于处理器中，当判断出标签位置时，在手持终端的地图上点亮相应的位置，游客根据点亮的位置和地图了解园中景物。

本发明的有益效果是：

1、将每棵树木装上标签节点，有唯一的标识ID，并在终端作出缩小化的植物园界面，进行交易时可形象方便的知道指定树木的位置，节省人力；

2、手持终端中对标签有粗略的定位算法，功率定位，可寻找出离手持端最近的即离游客最近的标签节点并在手持端上显示其相关信息，便于游客知道其身边的景物是什么；

3、每个阅读器与zigbee模块相连接构成定位传感器，使得阅读器以自组网的方式连接起来，使得零星的阅读器互相可以通信，将相关信息传至后台管理平台，实现区域定位与监控；

4、在终端的有源标签上引入了振动传感器模块，当超过一定振幅的机械运动时候产生中断告知服务器终端，终端立即报警，可实现部分的非法移动预警功能，而终端监控系统中对标签的位置发生改变也作出报警功能，实现双重预警功能。

附图说明

图1是本发明植物园物联网智能管理系统的系统框图；

图2是本发明中未知标签的结构框图；

图3是本发明中手持终端的结构框图；

图4是本发明的设计流程图；

图5是本发明植物园物联网智能管理系统的通信协议框架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明植物园物联网智能管理系统包括标签节点、定位传感器节点、zigbee路由器、zigbee主模块与服务器组成的协调中心。植物园面积较大，植物分布广泛，统一管理比较困难，所以将整个植物园分成小定位单元。

其中未知标签节点包括振动传感器、MCU中央处理器、无线收发模块、天线以及电源模块，定位传感器节点包括RFID阅读器与Zigbee无线网络模块。

定位传感器节点通过射频收发模块接收标签节点信息，将接收到的标签信息及相应的RFID标签的ID号提取、打包后通过zigbee传感网络传至所在定位单元中的zigbee路由器。各路的数据经路由器传至网络中的协调器中心，在后台进行未知节点位置的计算并给出相应的控制信息。后台服务器对数据进行融合、各节点管理、整个植物园的安全监控等功能。

实现区域中节点的定位方法采用基于距离的定位方法，未知标签节点与至少三个定位传感器节点通信，获得相关的信号强度值并将这些信息与自身的ID号最终上传至后台，在后台根据信号衰减（RSSI）值与衰减模型换算出距离值。根据距离值采用极大似然估计的方法得出标签的具体位置。而距离与信号强度值之间的模型关系一般采用经验损耗模型为中。其中RSSI为信号接收强度，d为收发节点之间的距离即所求距离，n为传播因子，EAF为环境因子，A为距离1m时的信号接收强度。n，EAF根据环境的不同而不同，一般在测距前根据实验得出。而本系统在每一定位单元中预先放置了已知位置的修正标签。记录修正标签与定位传感器互相通信的信号衰减值，定位传感器的位置也是预先设定好的，这样可以将已知的距离d和测得的RSSI值带入损耗模型中不断的更新模型中的环境因子与传播因子，模型更新的时间可由系统设定。修正标签节点为简单标签节点，只需通信便可。所以比未知位置标签节点不需要振动传感器模块。由于修正标签与位置标签处于同一定位单元，所以可以很大程度的避免环境引起的干扰,提高了精度。

服务器将植物园中树木分布的相关信息上传至特定官方网站上，游客可通过手机查询自己感兴趣的对象进行观赏。同时游客手中的手持移动设备可接收邻近标签节点的编号及对应的信号衰减值，在手持设备上通过比较接信号衰减大小自动判断出离游客最近的植物，并显示相关的信息。可事先画出园林地图存储在处理器中，当判断出是哪个标签的同时在手持端的地图上点亮相应的点，游客根据点亮的点和地图便可方便的了解园中景物。手持端的结构框图如图3所示。手持设备中的处理器可采用功能强大的ARM处理器并外接FLASH、SDRAM模块可供存储使用。键盘按键为输入，按下键便开始进行粗略定位。通过无线收发模块与天线同附近标签节点进行通信，定位结果在显示模块上显示。

整个设计流程如图4所示，分为两大块。即硬件设计，软件设计。最终进行组网测试。

系统的通信协议如图5，RFID标签节点与定位传感器节点之间遵循RFID空中接口协议，定位传感器取出阅读器读取的有效数据封装成zigbee协议格式。经无线传感网络送至后台中心。其中定位传感器与zigbee路由器，以及zigbee路由器与协调中心均遵循zigbee通信协议。

在标签节点中引入振动传感器，当机械振动超过一定界限的时候可以发出中断通过无线传感网传至后台，后台服务器便发出报警警示，可预防部分危险偷窃行为。而终端记录每个标签的具体位置，当发现标签的位置有异常变动时，发出报警。实现双重报警功能，能够实现更好的监控功能。

本发明植物园物联网智能管理系统及其智能管理方法将RFID技术与zigbee无线传感技术相结合，RFID阅读器与zigbee模块组成定位传感器节点，zigbee模块与服务器组成协调中心，使RFID单纯的采集节点信息推广到无线传感网中，使整个植物园中各个节点可以直接或间接的通信，使智能的监控植物园成为可能，后台作出缩小化的植物园界面。进行交易时可形象方便的知道指定树木的位置，节省人力。

本发明植物园物联网智能管理系统及其智能管理方法将整个植物园划分成一个个小的定位单元。此外引入已知位置的修正标签。采用基于距离的定位算法，修正标签与定位传感器之间的通信获得的信号强度值和与已知位置的定位传感器之间的距离反带入衰减模型中，算出新的环境因子与传播因子取代原先的值，形成反馈，不断的修正衰减模型。由于修正标签与未知标签处于同一环境中，很大程度的避免环境引起的干扰，提高了精度。

游客可通过手持设备了解离自己最近的植物。手持设备与附近的标签进行通信，通过比较接收到的信号衰减值的粗略定位算法确定出最近的植物。

为了防止名贵的树木被盗，在标签上引入振动传感器，超过一定振幅的机械运动时候产生中断告知服务器终端，终端立即报警，可实现部分的非法移动预警功能。而终端监控系统中对标签的位置发生改变也作出报警功能，实现双重预警功能。

本发明是现代园林观赏艺术、物联网技术和智能控制技术相结合的产物。通过物联网和智能控制技术实现植物园信息化管理，特别是针对大树尤其名贵树木的监测、管理和维护的智能化管理。采用RFID定位技术与zigbee无线网络技术与网状网技术相融合，扩大了RFID的传输半径，实现大范围的区域定位与管理。系统架构如图1，本系统将整个植物园划分成一个个小范围即小的定位单元，每个椭圆代表一个定位单元。在小范围中引入已知位置的修正标签，不断的修正衰减模型（RSSI）中参数，提高定位精度。在标签节点上引入振动传感器实现震动预警，如图2。而系统中当树木位置发生位移时发出预警从而实现双重预警功能。更加确保植物园中财产安全。本系统采用有源RFID技术与无线传感网络相结合实现树木状态实时跟踪功能，包括远程实时定位、树木非法移动预警、自动导游功能等，实现无纸信息流的传递；建立区域定位与管理平台，实现植物园管理的精细化、无线化和数字化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.植物园物联网智能管理方法，所述植物园物联网智能管理方法基于一种植物园物联网智能管理系统，所述植物园物联网智能管理系统包括标签节点、定位传感器节点、zigbee路由器和协调中心，所述标签节点、定位传感器节点、zigbee路由器之间相互通信并依次连接组成一个定位单元，所述植物园物联网智能管理系统包括若干个所述定位单元，各定位单元分别与协调中心相连并相互通信，所述协调中心连接到互联网；

所述标签节点包括修正标签和未知标签，所述修正标签用于不断地修正未知标签的定位参数，提高系统的定位精度，所述标签节点设置于植物盆体上；所述未知标签包括振动传感器、MCU中央处理器、无线收发模块、天线以及电源模块，所述振动传感器、MCU中央处理器、无线射频收发模块、天线依次连接并相互通信，所述电源模块用于给MCU中央处理器、无线射频收发模块供电；

所述定位传感器节点包括相互连接的阅读器、Zigbee模块和射频收发模块，定位传感器节点用于通过射频收发模块接收标签节点的信息，将接收到的标签信息及相应的RFID标签的ID号提取、打包后通过zigbee传感网络传至所在定位单元中的zigbee路由器；

所述协调中心包括zigbee主模块和服务器，协调中心用于将经Zigbee路由器传来各路的数据在后台进行未知节点位置的计算并给出相应的控制信息，后台服务器用于对数据进行融合、各节点管理、整个植物园的安全监控；

具体包括如下步骤：

(1)服务器将植物园中树木分布的相关信息上传至官方网站上，游客通过手持终端查询自己感兴趣的对象进行观赏；

(2)游客手中的手持终端通过无线收发模块与天线同附近标签节点进行通信，接收邻近标签节点的编号及对应的信号衰减值，在手持终端上通过比较信号衰减大小判断出离游客最近的植物，并显示定位结果信息；

所述定位结果的定位方法采用基于距离的定位方法，具体步骤如下：

(2-1)未知标签节点与定位传感器节点通信，获得相关的信号强度值并将这些信息与自身的ID号最终上传至后台，在后台根据信号衰减值RSSI与衰减模型换算出距离值；

(2-2)根据距离值采用极大似然估计法得出标签的具体位置；

(2-3)修正未知标签节点的位置：记录修正标签与定位传感器节点互相通信的信号衰减值，定位传感器的位置已预先设定好，将已知的距离d和测得的信号衰减值RSSI带入衰减模型中，不断更新模型中的环境因子与传播因子，模型更新的时间由系统设定；

(3)当出现包括植物被盗窃的异常现象时，植物的机械振动超过预定限值，标签节点中的振动传感器发出中断信号并通过无线传感网传至后台，后台服务器发出报警警示，同时，手持终端发现记录的标签具体位置有异常变动，也发出报警。

2.根据权利要求1所述的植物园物联网智能管理方法，其特征在于：所述衰减模型采用经验损耗模型。

3.根据权利要求1所述的植物园物联网智能管理方法，其特征在于：在所述步骤(1)之前先将园林地图存储于处理器中，当判断出标签位置时，在手持终端的地图上点亮相应的位置，游客根据点亮的位置和地图了解园中景物。