CN103391644A - 用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置，包括协调器模块、远程接入模块、管理控制模块和电源模块，其中，协调器模块用于运行无线ZigBee模块驱动、Zigbee协议、管理作物生长信息无线采集网络；远程接入模块用于运行GPRS模块驱动、TCP协议、管理远程接入。管理控制模块配备了风扇自动开启降温功能，扩宽了网关的适用环境，提高了网关的工作稳定性，满足了农田开放、高温环境下，作物生长信息连续、实时、快速、可靠、稳定地收集与传输。本发明还公开了一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关传输方法，实现了野外大田供电设施不足环境下对作物生长信息长期收集与传输。

Description

用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置及方法

技术领域

本发明涉及作物生长信息实时获取技术，尤其涉及基于物联网技术的大田作物生长信息远程监测，具体地说是一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关装置，属于精确农业领域。

背景技术

作物精确管理是精确农业的重要内容之一,对于发展优质、高产、高效、生态、安全的农业生产尤为重要。作物精确管理的实施过程包括作物生长信息的获取、信息的管理与决策和田间变量作业。其中，作物生长信息的获取是作物生产精确管理的依据。然而，目前精确农业实施的最大障碍，仍然是在农田信息高密度、高速度、高准确度、低成本获取技术的研究上。因此如何实时获取作物生长信息就成为作物精确管理实施过程中首先需要解决的一个关键问题。

新兴的无线传感器网络技术由于监测范围大、监测持久、数据传输可靠、部署难度小、成本低等特点，突破了传感器技术单点采样范围小、监测时间不连续（非在线）等缺点，也解决了有线网络采样方式布线繁琐、维护困难、成本高等弊端。农田一般远离监测中心，无线传感器网络采集到的作物信息必须通过网关设备远程发送至监测中心。但现有的无线传感器网络网关功能过于简单，对无线传感器节点唤醒、采集、传输、休眠等控制没有考虑到农田信息的本身特征，导致感知节点工作频繁、能耗高、传输效率低，不利于野外大田供电设施不足环境下应用；同时网关的互联网接入方式单一，不能满足不同基础设施的农田对数据远程传输的需求。因此，依据大田作物生长信息特征结合农田基础设施配置，开发一种适合于野外农田环境下作物生长信息远程监测的网关装置，是发展与推广农业物联网技术的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关装置及方法，满足不同农田环境下实施作物生长信息远程、高效传输的要求。

本发明为了解决上述问题采用以下技术方案：

一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置，包括协调器模块、远程接入模块、管理控制模块和用于供电的电源模块；其中：

协调器模块，用于采用Zigbee技术建立并管理作物生长信息无线采集网络；

远程接入模块，用于管理远程接入，实现农田开放环境下作物生长信息收集与传输；

管理控制模块，用于当环境温度高于预设温度值时，降低环境温度。

作为本发明的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置进一步的优化方案，所述协调器模块包括第一微处理器、数据存储器、无线ZigBee模块和第一吸盘天线；所述远程接入模块包括第二微处理器、GPRS模块、以太网模块、第二吸盘天线；

其中：所述第一微处理器通过串行SPI接口分别连接无线ZigBee模块和数据存储器；所述第一吸盘天线与无线ZigBee模块相连；所述第一微处理器通过无线ZigBee模块收集部署在农田中的作物生长信息监测节点的数据，然后将收集的数据存放至数据存储器，并同时提交给第二微处理器；

所述第二微处理器通过UART接口与GPRS模块串接；所述GPRS模块连接第二吸盘天线；所述第二微处理器通过串行SPI接口与以太网模块连接；所述以太网模块连接RJ45接口；第二微处理器将第一微处理器提交的数据通过GPRS模块或以太网模块发送至远程服务器。

作为本发明的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置进一步的优化方案，所述作物生长信息监测节点为多光谱作物生长传感器。

作为本发明的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置进一步的优化方案，所述第一微处理器通过UART接口串接第二微处理器。 

作为本发明的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置进一步的优化方案，所述管理控制模块包括温度传感器、电流驱动模块、继电器、风扇；其中，所述温度传感器与第一微处理器、电流驱动模块、继电器线圈依次连接；所述继电器常开触点连接风扇开关；当农田环境温度超过第一微处理器预设温度值时，由第一微处理器输出相应信号，经电流驱动模块放大后驱动继电器，打开风扇开关，降低环境温度，保证网关可靠工作。

作为本发明的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置进一步的优化方案，所述无线ZigBee模块的通信频段为780MHz。

本发明还提出一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关传输方法，包括如下步骤：

（1）网关启动，进行远程接入方式判断，确定数据上传方式：若确认为GPRS连接，由网关配置GPRS参数；若确认为以太网连接，则由网关配置以太网参数；

（2）建立ZigBee网络、传输网络信标；

（3）由网关启动作物生长信息无线传感器网络路由算法，准备接收多光谱作物生长传感器节点数据；所述作物生长信息无线传感器网络路由算法采用功率动态管理机制，具体包括如下步骤：

（301）作物生长信息无线传感器网络中各个多光谱作物生长传感器节点以单跳形成连续发送N帧采集数据至网关，其中N≤4；

（302）由网关监听各个多光谱作生长传感器节点信号强度，寻求信号强度极大值的节点，筛选出1个工作节点，其余节点进入深度休眠状态； 

（303）工作节点在每个工作周期，定时向网关发送采集数据；网关收集到工作节点的数据，与上一个周期数据进行差值比较，若差值结果没有超过网关设定的阈值，网关则采用灰色预测深度休眠节点的方式采集数据；

（304）若差值结果超过网关设定的阈值，则网关向作物生长信息无线采集网络休眠节点发出激活命令，各节点采集作物生长信息发送至网关；同时，根据各节点信号强度，寻求信号强度极大值的节点，将其转换为工作节点，其余节点进入深度休眠状态；

（305）重复步骤（303）-（304），直至遍历作物生长信息无线采集网络中所有多光谱作物生传感器节点；

（4）监听多光谱作物生长传感器节点，判断是否收集到节点数据，如果收集到节点数据，对数据异常进行判断，如果没有收集到数据，继续监听多光谱作物生长传感器节点；

（5）若判读数据正常，则将收集到的节点数据存储于数据存储器中，并通过GPRS或者以太网模式上传数据至远程服务器。

进一步的，本发明的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关传输方法，所述网关灰色预测深度休眠节点采集数据，包括如下步骤：

（A）根据多光谱作物生长传感器节点初始发送的N帧采集数据，构建一阶累加灰序列；

（B）构建累加灰序列的紧邻均值生成序列；

（C）构建一阶单变量灰色模型GM(1，1)，用最小二乘法进行参数估计得到模型参数的求解；

（D）求解原始序列的灰色模型，求得深度休眠节点预测数据。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比具有以下技术效果：

1. 本发明的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关，采用双处理器工作模式，分工协作，极大地提高了网关系统运行可靠性。微处理器1只用于运行ZigBee协议，管理作物生长信息无线采集网络；微处理器2只用于运行GPRS协议、TCP协议，管理远程接入，满足了农田开放环境下作物生长信息连续、实时、快速地收集与传输。

2. 本发明的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关，配备了风扇自动开启降温功能，扩宽了网关的适用环境，提高了网关的工作稳定性，满足了野外高温环境下作物生长信息可靠、稳定地收集与传输。

3. 本发明的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关，采用了GPRS无线接入方式和以太网有线接入方式，满足了不同基础设施的农田对数据远程传输的需求。

4. 本发明的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关传输方法，根据作物生长信息特有的缓慢变化特征，建立休眠节点的灰色模型，预测采集数据，运用功率动态管理机制，降低多光谱作物生长传感器节点功耗，提高作物生长信息无线采集网络生存周期，满足了野外大田供电设施不足环境下对作物生长信息长期收集与传输。

附图说明

图1为本发明一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关结构示意图。

图2为本发明一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关传输策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关装置，包括协调器模块、远程接入模块、管理控制模块和电源模块；协调器模块连接管理控制模块，协调器模块串接远程接入模块，电源模块分别连接协调器模块、远程接入模块和管理控制模块。其中，协调器模块包括微处理器1、数据存储器、无线ZigBee模块和吸盘天线1；微处理器1通过串行SPI接口分别连接无线ZigBee模块和数据存储器，吸盘天线1与无线ZigBee模块相连，微处理器1用于运行无线ZigBee模块驱动、Zigbee协议、收集多光谱作物生长传感器节点数据，并将收集的数据存放至数据存储器，同时提交给微处理器2；远程接入模块包括微处理器2、GPRS模块、以太网模块和RJ45接口；微处理器2通过UART接口与GPRS模块串接，GPRS模块连接吸盘天线2，微处理器2通过串行SPI接口与以太网模块连接，以太网模块连接RJ45接口，微处理器2用于判断远程接入方式、运行GPRS模块驱动、TCP协议、将MUC1提交的数据发至服务器；微处理器1通过UART接口串接微处理器2；管理控制模块包括温度传感器、微处理器1、电流驱动模块、继电器、风扇；温度传感器与微处理器1、电流驱动模块、继电器线圈依次连接，继电器常开触点连接风扇开关，当农田环境温度过高，超过微处理器1预设温度值，微处理器1输出相应信号，经电流驱动模块放大后驱动继电器，打开风扇开关，降低环境温度，保证网关可靠工作。

本申请中所采用的多光谱作物生长传感器是在申请人申请的“ 一种田间作物生长信息无损快速检测装置及检测方法（公开号：CN102768186A）和“一种作物-大气-土壤信息无线采集终端及采集方法”（公开号：CN103035112A）中公开的一种多光谱作物生长传感器，该传感器包括上行光光谱传感器、下行光光谱传感器、固定支架、活动支撑杆、四芯屏蔽传输导线。通过检测作物生长指标敏感波段处的太阳光谱辐射信息和作物冠层反射光谱信息，耦合作物生长指标光谱监测模型，实现了作物叶层氮含量、叶层氮积累量、叶面积指数和叶干重等生长信息实时、无损、在线获取。

参考图2，一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关装置传输方法，采用如下步骤：

（1）网关启动，进行远程接入方式判断，确定数据上传方式。若确认为GPRS连接，网关配置GPRS参数；若确认为以太网连接，网关配置以太网参数；

（2）      建立ZigBee网络、传输网络信标；

（3）网关启动作物生长信息无线传感器网络路由算法，准备接收多光谱作物生长传感器节点数据；

（4）监听多光谱作物生长传感器节点，判断是否收集到节点数据，如果收集到节点数据，对数据异常进行判断，如果没有收集到数据，继续监听多光谱作物生长传感器节点；

（5）若数据正常，则存储于数据存储器中，并通过GPRS或者以太网模式上传数据至远程服务器。

参考图2，一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关装置传输方法，其路由算法采用功率动态管理机制降低多光谱作物生长传感器节点功耗，提高作物生长信息无线采集网络生存周期，包括如下步骤：

（1）作物生长信息无线传感器网络中各个多光谱作物生长传感器节点以单跳形成连续发送N帧（N≦4）采集数据至网关；

（2）网关监听各个多光谱作生长传感器节点信号强度，依据MAX-MIN原则（即寻求信号强度极大值的原则），筛选出1个工作节点，其余节点进入深度休眠状态； 

（3）工作节点在每个工作周期，定时向网关发送采集数据；网关收集到工作节点的数据，与上一个周期数据进行差值，若差值结果没有超过网关设定的阈值，网关灰色预测深度休眠节点采集数据；

（4）若差值结果超过网关设定的阈值，则网关向作物生长信息无线采集网络休眠节点发出激活命令，各节点采集作物生长信息发送至网关；同时，根据各节点信号强度，用MAX-MIN原则，转换工作节点，其余节点进入深度休眠状态；

（5）重复步骤（3）-（4），直至遍历作物生长信息无线采集网络中所有多光谱作物生传感器节点。

参考图2，一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关装置传输方法，其网关灰色预测深度休眠节点采集数据，包括如下步骤：

（1）根据多光谱作物生长传感器节点初始发送的N帧（N≦4）采集数据，构建一阶累加灰序列；

（2）构建累加灰序列的紧邻均值生成序列；

（3）构建一阶单变量灰色模型GM(1，1)，用最小二乘法进行参数估计得到模型参数的求解；

（4）求解原始序列的灰色模型，求得深度休眠节点预测数据。

Claims (8)

1. 一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置，其特征在于：包括协调器模块、远程接入模块、管理控制模块和用于供电的电源模块；其中：

协调器模块，用于采用Zigbee技术建立并管理作物生长信息无线采集网络；

远程接入模块，用于管理远程接入，实现农田开放环境下作物生长信息收集与传输；

管理控制模块，用于当环境温度高于预设温度值时，降低环境温度。

2. 根据权利要求1所述的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置，其特征在于：所述协调器模块包括第一微处理器、数据存储器、无线ZigBee模块和第一吸盘天线；所述远程接入模块包括第二微处理器、GPRS模块、以太网模块、第二吸盘天线；

其中：所述第一微处理器通过串行SPI接口分别连接无线ZigBee模块和数据存储器；所述第一吸盘天线与无线ZigBee模块相连；所述第一微处理器通过无线ZigBee模块收集部署在农田中的作物生长信息监测节点的数据，然后将收集的数据存放至数据存储器，并同时提交给第二微处理器；

所述第二微处理器通过UART接口与GPRS模块串接；所述GPRS模块连接第二吸盘天线；所述第二微处理器通过串行SPI接口与以太网模块连接；所述以太网模块连接RJ45接口；第二微处理器将第一微处理器提交的数据通过GPRS模块或以太网模块发送至远程服务器。

3. 根据权利要求2所述的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置，其特征在于：所述作物生长信息监测节点为多光谱作物生长传感器。

4. 根据权利要求2所述的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置，其特征在于：所述无线ZigBee模块的通信频段为780MHz。

5. 根据权利要求2所述的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置，其特征在于：所述第一微处理器通过UART接口串接第二微处理器。

6. 根据权利要求1所述的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置，其特征在于：所述管理控制模块包括温度传感器、电流驱动模块、继电器、风扇；其中，所述温度传感器与第一微处理器、电流驱动模块、继电器线圈依次连接；所述继电器常开触点连接风扇开关；当农田环境温度超过第一微处理器预设温度值时，由第一微处理器输出相应信号，经电流驱动模块放大后驱动继电器，打开风扇开关，降低环境温度，保证网关可靠工作。

7. 一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）网关启动，进行远程接入方式判断，确定数据上传方式：若确认为GPRS连接，由网关配置GPRS参数；若确认为以太网连接，则由网关配置以太网参数；

建立ZigBee网络、传输网络信标；

（3）由网关启动作物生长信息无线传感器网络路由算法，准备接收多光谱作物生长传感器节点数据；所述作物生长信息无线传感器网络路由算法采用功率动态管理机制，具体包括如下步骤：

（301）作物生长信息无线传感器网络中各个多光谱作物生长传感器节点以单跳形成连续发送N帧采集数据至网关，其中N≤4；

（302）由网关监听各个多光谱作生长传感器节点信号强度，寻求信号强度极大值的节点，筛选出1个工作节点，其余节点进入深度休眠状态； 

（303）工作节点在每个工作周期，定时向网关发送采集数据；网关收集到工作节点的数据，与上一个周期数据进行差值比较，若差值结果没有超过网关设定的阈值，网关则采用灰色预测深度休眠节点的方式采集数据；

（304）若差值结果超过网关设定的阈值，则网关向作物生长信息无线采集网络休眠节点发出激活命令，各节点采集作物生长信息发送至网关；同时，根据各节点信号强度，寻求信号强度极大值的节点，将其转换为工作节点，其余节点进入深度休眠状态；

（305）重复步骤（303）-（304），直至遍历作物生长信息无线采集网络中所有多光谱作物生传感器节点；

（4）监听多光谱作物生长传感器节点，判断是否收集到节点数据，如果收集到节点数据，对数据异常进行判断，如果没有收集到数据，继续监听多光谱作物生长传感器节点；

（5）若判读数据正常，则将收集到的节点数据存储于数据存储器中，并通过GPRS或者以太网模式上传数据至远程服务器。

8. 根据权利要求7所述的一种用于大田作物生长信息监测的无线传感网络网关传输方法，其特征在于：所述网关灰色预测深度休眠节点采集数据，包括如下步骤：

（A）根据多光谱作物生长传感器节点初始发送的N帧采集数据，构建一阶累加灰序列；

（B）构建累加灰序列的紧邻均值生成序列；

（C）构建一阶单变量灰色模型GM(1，1)，用最小二乘法进行参数估计得到模型参数的求解；

（D）求解原始序列的灰色模型，求得深度休眠节点预测数据。

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