CN104394603A - 一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统，包含汇聚中心、监控中心和由多个传感器节点组成的多个无线传感器网络，所述传感器节点包含微处理器模块以及与其连接的温湿度传感器、通讯模块和用于提供传感器节点所需电能的电源模块，所述电源模块包括太阳能充电装置、电池、稳压器、比较器，该系统具有低功耗、体积小、工作时间长、成本低的特点，同时可实现危险区域的低成本无人连续在线监测。

Description

一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统

技术领域

本发明涉及一种环境监测系统，尤其涉及一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统，属于监测领域。 

背景技术

 精准农业已成为我国农业发展的趋势，农田信息的及时准确获取是精准农业实施的基础。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备和传感设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。不但要耗费大量的人力，而且不能够做到实时监控，如果采用有线测控系统，则需要铺设光纤或者电缆，这样不但增加了成本，而且降低了系统的灵活性和可扩展性。随着传感器技术、无线通信技术及嵌入式技术的发展，孕育出了一种新的信息获取、传输、处理的智能网络——无线传感器网络。无线传感器网络可以实时监测、感知和采集监控区域的信息，并将采集到的数据经处理后发送给终端用户。目前，国内外科研人员已有将无线传感器网络应用于农业领域。 

网络技术逐步成熟的背景下，传统的农田检测存在设备管理不完善、不易维护等问题，并且已有系统多是处理单个命令的直接控制，对于负责批命令控制的研究还有待深入。无线传感网是物联网技术的重要基础，解决了互联的问题，由具有感知、处理和无线通信能力的大量传感器节点形成一个多跳的自组织网络系统，完成既定的任务。目前农田信息监测系统大多利用以太网络进行数据的有线传输，存在着成本高、综合布线复杂、通信电缆选择等实际工程问题，限制了农田信息检测系统的发展前景。 

例如申请号为“201110431588.2”的一种农田土壤氮素在线检测系统及方法，涉及农业传感技术和仪器仪表技术领域。该系统包括：激光器，发射预设波长的激光；至少一套传感探头，用于将所述激光器发出的光照射到待测土壤表层，并收集待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号；传导光纤，连接于所述激光器与传感探头之间，以及所述传感探头与信号处理模块之间，将所述激光器发出的光传导至所述传感探头，以及将所述传感探头收集的光学信号传送至信号处理模块；信号处理模块，用于根据所述传感探头收集的光学信号，计算所述待测土壤的氮素浓度。该发明的系统及方法省时、省力、实时性好且实用性强。该发明隧道环境监测系统存在着成本高、综合布线复杂、通信电缆选择等实际工程问题，限制了随到环境监测系统的发展前景。 

又如申请号为“201210058950.0”的一种农田微弱导航信息的图像检测方法及系统，涉及机器视觉导航技术领域，所述方法包括以下步骤：S1：采集当前农田的待检测图像；S2：判断所述待检测图像是否为第一帧图像，若是，则进行第一帧图像的导航直线检测，返回步骤S1，否则进行非第一帧图像的导航直线检测；S3：根据所述非第一帧图像的导航直线检测的结果进行田端检测，判断是否到达田端，若是，则结束检测，否则，返回步骤S1。本发明通过针对具有微弱导航信息的农田作业环境，利用小波变换与线形分析、前后帧相互关联及分段Hough变换等方法，在农田区域分界不明显的情况下，实现了导航路径的图像识别，并且检测结果准确、稳定和快速。该发明虽然实现了随到环境的无线监测与传输，但是功耗高，成本较高，检测数据存在误差，且缺少相应的节点控制，使大多数节点处于无用功状态，在节能优化上面仍存在很大的进步空间。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种低功耗、低成本、高可靠性基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统。 

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案 

    一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统，包含汇聚中心、监控中心和由多个传感器节点组成的多个无线传感器网络，所述传感器节点包含微处理器模块以及与其连接的温湿度传感器、通讯模块和用于提供传感器节点所需电能的电源模块，所述电源模块包括太阳能充电装置、电池、稳压器、比较器，所述太阳能充电装置连接电池，用于将利用太阳能产生的电能存储至电池中，所述电池通过稳压器连接传感器节点，用于提供传感器节点所需电能，所述电池还连接一比较器，用于实时将电池输出电压和设定值进行对比；进而控制太阳能充电装置的开闭。

 作为本发明一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统的进一步优选方案，所述汇聚节点包含一数据分析单元和一数据传输单元，所述数据分析单元对传感器节点采集的数据按周期进行分析，对于采集数据在正常范围内的节点，通过数据传输单元控制相对应节点减少测量频率，对于采集的参数值超过正常范围的节点，则通过数据传输单元控制相对应节点增大测量频率。 

 作为本发明一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统的进一步优选方案，所述温湿度传感器的型号为SHT10。 

作为本发明一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统的进一步优选方案，所述电源模块中比较器的电压设定值为2.75V。 

作为本发明一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统的进一步优选方案，所述微处理器模块芯片型号为ATmega1281。 

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、低功耗、低成本、高可靠性，利于构建农田信息监测系统，能大大降低整个系统的成本，提高系统的灵活性和智能化；

2、传感器节点通过无线通信方式形成多跳、自组织的无线传感器网络，该自组网能力强，可实时同步对隧道环境的监测参数；

3、能够实时的检农田中的温度、湿度等环境因子成分含量和积累，能够实时对农作物种植环境进行实时检测；

4.节电供电采用太阳能供电，并且能够实时分析电池电压状态，达到智能化的对电池进行充电，有效地延长了节点的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的系统结构图； 

图2是本发明的传感器节点结构原理图；

图3是本发明传感器节点电源模块结构原理图。

  

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： 

具体实施方式如下：

如图1所示，一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统，包含汇聚中心、监控中心和由多个传感器节点组成的多个无线传感器网络，如图2所示，所述传感器节点包含微处理器模块以及与其连接的温湿度传感器、通讯模块和用于提供传感器节点所需电能的电源模块。

如图3所示，所述电源模块包括太阳能充电装置、电池、稳压器、比较器，所述太阳能充电装置连接电池，用于将利用太阳能产生的电能存储至电池中，所述电池通过稳压器连接传感器节点，用于提供传感器节点所需电能，所述电池还连接一比较器，用于实时将电池输出电压和设定值进行对比；进而控制太阳能充电装置的开闭。 

其中，所述汇聚节点包含一数据分析单元和一数据传输单元，所述数据分析单元对传感器节点采集的数据按周期进行分析，对于采集数据在正常范围内的节点，通过数据传输单元控制相对应节点减少测量频率，对于采集的参数值超过正常范围的节点，则通过数据传输单元控制相对应节点增大测量频率。 

其中，所述温湿度传感器的型号为SHT10，所述电源模块中比较器的电压设定值为2.75V，所述微处理器模块芯片型号为ATmega1281。 

节点的能量供应是节点工作的重要前提，如果供电不足，将会导致整个系统瘫痪。为延长节点的使用寿命，多种降低功耗的方法已经被提出，如：数据压缩技术和低功耗路由技术等，但任何降低功耗的方法都不能彻底解决节点寿命有限的问题。可再生能源的利用，如：太阳能、振动、潮汐和风能等的利用，被认为是解决上述问题的可行方案。对于室外系统，太阳能具有技术相对成熟，能量密度较大等优势，被认为是为节点提供额外能源的可行方法。 

图3是电源模块框图。稳压器输出电压降至2．75 V。比较器比较此值于电池的电压值。当阳光充足并且电池的电压低于2．75 V时，比较器打开开关，对电池充电。否则，当电池的电压等于或大于2．75 V时，开关关闭阻止充电过程。二极管用来阻止电流由电池流入太阳能电池板。 

该发明传感器节点通过无线通信方式形成多跳、自组织的无线传感器网络，该自组网能力强，可实时同步对隧道环境的监测参数。无线传感器网络是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。 

无线传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。 

 基于无线传感器网络在农田信息采集中的应用现状，提出了体积小、成本低、低功耗、工作持续时间长的农田信息采集无线传感器网络节点的必要性。该系统利用无线收发设备传输数据，无需专门架线，系统结构简单，节省了人力物力，通过监控中心可实现对农田温湿度的监控等功能，实现真正意义上的无人值守，与普通无线技术相比，还具有低功耗、低成本和网络容量大等特点，为实现大规模农田监控的信息化、自动化、提高工作效率具有很高的实际应用价值。 

本发明主要针对当前环境监测中面临的网络布线困难、成本高及实时性差等问题，提出了基于无线传感器网络农田信息自动检测系统的设计，该系统具有低功耗、体积小、工作时间长、成本低的特点，同时可实现危险区域的低成本无人连续在线监测。 

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。  

Claims (5)

1.一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统，包含汇聚中心、监控中心和由多个传感器节点组成的多个无线传感器网络，其特征在于：所述传感器节点包含微处理器模块以及与其连接的温湿度传感器、通讯模块和用于提供传感器节点所需电能的电源模块，所述电源模块包括太阳能充电装置、电池、稳压器、比较器，所述太阳能充电装置连接电池，用于将利用太阳能产生的电能存储至电池中，所述电池通过稳压器连接传感器节点，用于提供传感器节点所需电能，所述电池还连接一比较器，用于实时将电池输出电压和设定值进行对比；进而控制太阳能充电装置的开闭。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统，其特征在于：所述汇聚节点包含一数据分析单元和一数据传输单元，所述数据分析单元对传感器节点采集的数据按周期进行分析，对于采集数据在正常范围内的节点，通过数据传输单元控制相对应节点减少测量频率，对于采集的参数值超过正常范围的节点，则通过数据传输单元控制相对应节点增大测量频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统，其特征在于：所述温湿度传感器的型号为SHT10。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统，其特征在于：所述电源模块中比较器的电压设定值为2.75V。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于无线传感器网络的农田信息自动检测系统，其特征在于：所述微处理器模块芯片型号为ATmega1281。