CN105575091A - 一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法及系统，各无线传感器节点均参与构建临近耦合规则网络模型I，对未能与果场数据集中器连接的各无线传感器网络节点进行多次局部重连，构建出小世界网络动态模型，最终构建出小世界网络，保证各无线传感器节点稳定地向果场数据集中器发送数据；在每颗树处设置一个无线传感器节点，各无线传感器节点直接与果场数据集中器无线连接，或者经其它无线传感器节点与果场数据集中器无线连接，各无线传感器节点组成一个无线传感器网络，无线传感器网络将各无线传感器节点检测到的数据汇聚至果场数据集中器，进而为管理者和消费者提供整个果场中果类农产品的全方位信息。

Description

一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法及系统

技术领域

本发明涉及物联网领域，具体涉及一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法及系统。

背景技术

食品安全事故频发，果类农产品的质量与安全监测引发监管部门和广大消费者的深切关注。实现果类农产品产地的环境信息检测、传输和查询，是实施对安全果类农产品产地环境质量严格、持续、科学监控、全程追溯以及品质安全的重要基础。现有果类农产品溯源系统和方法，为监管部门对果类农产品的生产实施有效的监控和管理提供便利，为消费者追溯其购买的果类农产品的生长过程各阶段的数据提供平台，从而建立果类农产品的安全事故防御机制。然而，现有的果类农产品溯源系统，受限于通信成本，通常只能在果场中选取样本区，仅检测该样本区的相关信息，作为管理者和消费者追溯的信息源，从而无法实现果类农产品的全方位信息追溯；当果场中存在多个样本区时，现有的果类农产品溯源方法受限于通信距离，无法保证多个样本区的数据均能稳定地提供给管理者和消费者。

发明内容

本发明提供一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法及系统，解决现有果类农产品溯源方法及系统不能为外部用户端提供稳定的全方位信息的问题。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：

一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法，通过以下步骤构建小世界网络：

1)各无线传感器节点自行尝试与果场数据集中器建立连接，将能与果场数据集中器建立连接的各无线传感器节点的集合定义为第1已连接节点集，将未能与果场数据集中器建立连接的各无线传感器节点的集合定义为第1未连接节点集，将第1已连接节点集与第1未连接节点集的并集定义为第1总节点集；执行步骤2)；

2)以第1总节点集为基础，构建度为D的临近耦合规则网络模型，所述临近耦合规则网络模型的耦合矩阵为C_nc为：当i≠j时，c_ij＝c_ji＝1或c_ij＝c_ji＝0；当i＝j时， $c_{ii}=-\underset{j\≠i}{\overset{N}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}{c}_{ij}=-\underset{j\≠i}{\overset{N}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}{c}_{ji}=-D$

式中，N为大于等于1的正整数，N表示第1总节点集中各无线传感器节点的数量总和；i为小于等于N的正整数，i表示第i个无线传感器节点；j为小于等于N的正整数，j表示第j个无线传感器节点；c_ij＝c_ji＝1表示第i个无线传感器节点与第j个无线传感器节点无线连接，c_ij＝c_ji＝0表示第i个无线传感器节点与第j个无线传感器节点断开；执行步骤3)；

3)从第1未连接节点集中选取相互连接的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，断开第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，随机从第1已连接节点集中选取与第i个无线传感器节点断开的第j'个无线传感器节点，连接第i个无线传感器节点和第j'个无线传感器节点；其中，j'为小于等于N的正整数，j'表示第j'个无线传感器节，j'≠i，j≠j'；执行步骤4)；

4)第1未连接节点集中与第1已连接节点集中的无线传感器节点建立连接的各无线传感器节点为第2已连接节点集；第1未连接节点集中其余的各无线传感器节点为第2未连接节点集；若第2未连接节点集为零，则结束本次构建小世界网络的进程，否则，执行步骤5)；

5)进行至少一次局部重连，所述局部重连为：第m-1次局部重连结束时，第m-1未连接节点集中与第m-1已连接节点集中的无线传感器节点建立连接的各无线传感器节点为第m已连接节点集；第m-1未连接节点集中其余的各无线传感器节点为第m未连接节点集；进行第m次局部重连，从第m已连接节点集选取相互连接的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，断开第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，随机从第m已连接节点集中选取与第i个无线传感器节点断开的第j'个无线传感器节点，连接第i个无线传感器节点和第j'个无线传感器节点；m为大于等于2的正整数；上述局部重连连续进行，直至第m未连接节点集为零，结束本次构建小世界网络的进程。

上述方案中，步骤3)中，从第1未连接节点集中选取c_ij＝c_ji＝1的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，以第0设定概率p₀将c_ij和c_ji修改为c_ij＝c_ji＝0，即针对第1未连接节点集中的各相互连接的无线传感器节点，以第1设定概率p₀将c_ij和c_ji修改为c_ij＝c_ji＝0，另一部分以1-p₀的概率仍保持为c_ij＝c_ji＝1；随机从第1已连接节点集中选取与第i无线传感器节点相互断开的无线传感器节点j′，此时c_ij′＝c_j′i＝0，将其修改为c_ij′＝c_j′i＝1，其中0≤p₀≤1。

上述方案中，步骤5)中，进行第m次局部重连时，从第m已连接节点集选取相互连接的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，以第m设定概率p_m断开第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点；即针对第m-1未连接节点集中的各相互连接的无线传感器节点，第m设定概率以p_m将c_ij和c_ji修改为c_ij＝c_ji＝0，另一部分以1-p_m的概率仍保持为c_ij＝c_ji＝1；随机从第m已连接节点集中选取与第i个无线传感器节点断开的第j'个无线传感器节点，连接第i个无线传感器节点和第j'个无线传感器节点，其中0≤p_m≤1。

上述方案中，若局部重连次数m到预设的达阈值N_max时，仍无法实现第m未连接节点集为零，则进行初始化，执行步骤1)，直至以低于N_max的局部重连次数实现第m未连接节点集为零，否则，再次进行初始化，执行步骤1)；若初始化次数达到预设的阈值M前，能实现第m未连接节点集为零，则本次构建小世界网络进程结束，否则由果场数据集中器向中心服务器发送故障信息；N_max和M为正整数。

一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法的系统，由无线传感器网络、果场数据集中器以及中心服务器组成；所述无线传感器网络由至少一个无线传感器节点组成；在每棵果树处设置一个无线传感器节点，所述无线传感器节点包括MCU控制模块、无线发送接收模块和检测模块；所述检测模块检测数据，将数据输入至MCU控制模块，由MCU控制模块为其所在果树生成一个ID号，将所述ID号和检测数据打包后直接发送至果场数据集中器，或经至少一个无线传感器节点中转后发送至果场数据集中器；所述果场数据集中器将各无线传感器节点发送来的打包数据汇聚后，发送至所述中心服务器；外部用户端访问所述中心服务器的数据。

上述方案中，所述检测模块由土壤温湿度传感器、生长环境温湿度传感器和重金属含量检测传感器组成；所述土壤温湿度传感器用于检测果树所在土壤的温湿度，所述生长环境温湿度传感器用于检测果树所处的生长环境的温湿度，所述重金属含量检测传感器用于检测果树所在土壤的重金属含量；所述各检测数据发送至MCU控制模块进行处理。

上述方案中，所述无线传感器节点进一步包括电源模块；所述电源模块包括辅助电源、锂电池、柔性薄膜光伏电池阵列以及MPPT智能充电模块；所述柔性薄膜光伏电池阵列将太阳能转换为电能；所述MPPT智能充电模块对所述柔性薄膜光伏电池阵列输出的电能进行追踪，保证所述柔性薄膜光伏电池阵列以最大功率向所述锂电池供电；所述辅助电池用于转接锂电池的电能至MCU控制模块、无线发送接收模块和检测模块的供电端口，还用于延时或检测锂电池的充电情况。

上述方案中，在所述中心服务器建立溯源数据库、动态网站、后台管理平台以及二维码模块；所述中心服务器接收到所述果场数据集中器发送来的数据后，根据ID号为每棵果树建立档案，将各ID号及其对应的检测数据存储至所述溯源数据库中；所述动态网站用于为外部用户端提供显示和查询溯源数据库的界面；所述后台管理平台用于为外部用户端提供管理接口，对所述各档案进行审核和验证；所述二维码生成模块将果类农产品的溯源链接生成二维码，所述二维码粘贴到果类农产品上，外部用户端通过二维码访问溯源数据库。

本发明的优点与效果是：

1、构建临近耦合规则网络模型I，对未能与果场数据集中器连接的各无线传感器网络节点进行多次局部重连，构建出小世界网络动态模型，最终构建出小世界网络，保证各无线传感器节点稳定地向果场数据集中器发送数据；

2、在每颗树处设置一个无线传感器节点，各无线传感器节点直接与果场数据集中器无线连接，或者经其它无线传感器节点与果场数据集中器无线连接，各无线传感器节点组成一个无线传感器网络，无线传感器网络将各无线传感器节点检测到的数据汇聚至果场数据集中器，进而为管理者和消费者提供整个果场中果类农产品的全方位信息；

3、检测每棵果树的土壤温湿度、生长环境温湿度和重金属含量，为管理者和消费者提供充分反映该果树生长过程的各数据，便于管理者和消费者全面了解果类农产品当前的和历史的数据信息；运用太阳能持续供电，避免受限于市电供应，且大大降低成本。

附图说明

图1为本发明的结构原理框图。

图2为本发明无线传感器节点的原理框图。

图3为本发明构建小世界网络的时间效果图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法，通过以下步骤构建小世界网络：

1)各无线传感器节点自行尝试与果场数据集中器建立连接，将能与果场数据集中器建立连接的各无线传感器节点的集合定义为第1已连接节点集，将未能与果场数据集中器建立连接的各无线传感器节点的集合定义为第1未连接节点集，将第1已连接节点集与第1未连接节点集的并集定义为第1总节点集；执行步骤2)；

2)以第1总节点集为基础，构建度为D的临近耦合规则网络模型，所述临近耦合规则网络模型的耦合矩阵为C_nc为：

当i≠j时，c_ij＝c_ji＝1或c_ij＝c_ji＝0；当i＝j时， $c_{ii}=-\underset{j\≠i}{\overset{N}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}{c}_{ij}=-\underset{j\≠i}{\overset{N}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}{c}_{ji}=-D$

式中，N为大于等于1的正整数，N表示第1总节点集中各无线传感器节点的数量总和；i为小于等于N的正整数，i表示第i个无线传感器节点；j为小于等于N的正整数，j表示第j个无线传感器节点；c_ij＝c_ji＝1表示第i个无线传感器节点与第j个无线传感器节点无线连接，此处的1可用0或其它符号代替；c_ij＝c_ji＝0表示第i个无线传感器节点与第j个无线传感器节点断开，此处的0可用1或其它符号代替，但不能与表示第i个无线传感器节点与第j个无线传感器节点无线连接的符号相同；执行步骤3)；

3)从第1未连接节点集中选取相互连接的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，断开第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，随机从第1已连接节点集中选取与第i个无线传感器节点断开的第j'个无线传感器节点，连接第i个无线传感器节点和第j'个无线传感器节点；其中，j'为小于等于N的正整数，j'表示第j'个无线传感器节，j'≠i，j≠j'；执行步骤4)；

4)第1未连接节点集中与第1已连接节点集中的无线传感器节点建立连接的各无线传感器节点为第2已连接节点集；第1未连接节点集中其余的各无线传感器节点为第2未连接节点集；若第2未连接节点集为零，则结束本次构建小世界网络的进程，否则，执行步骤5)；

5)进行至少一次局部重连，所述局部重连为：第m-1次局部重连结束时，第m-1未连接节点集中与第m-1已连接节点集中的无线传感器节点建立连接的各无线传感器节点为第m已连接节点集；第m-1未连接节点集中其余的各无线传感器节点为第m未连接节点集；进行第m次局部重连，从第m已连接节点集选取相互连接的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，断开第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，随机从第m已连接节点集中选取与第i个无线传感器节点断开的第j'个无线传感器节点，连接第i个无线传感器节点和第j'个无线传感器节点；m为大于等于2的正整数；上述局部重连连续进行，直至第m未连接节点集为零，结束本次构建小世界网络的进程。

上述步骤3)中，从第1未连接节点集中选取c_ij＝c_ji＝1的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，以第0设定概率p₀将c_ij和c_ji修改为c_ij＝c_ji＝0，即针对第1未连接节点集中的各相互连接的无线传感器节点，以第1设定概率p₀将c_ij和c_ji修改为c_ij＝c_ji＝0，另一部分以1-p₀的概率仍保持为c_ij＝c_ji＝1；随机从第1已连接节点集中选取与第i无线传感器节点相互断开的无线传感器节点j′，此时c_ij′＝c_j′i＝0，将其修改为c_ij′＝c_j′i＝1，其中0≤p₀≤1。

上述步骤5)中，进行第m次局部重连时，从第m已连接节点集选取相互连接的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，以第m设定概率p_m断开第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点；即针对第m-1未连接节点集中的各相互连接的无线传感器节点，第m设定概率以p_m将c_ij和c_ji修改为c_ij＝c_ji＝0，另一部分以1-p_m的概率仍保持为c_ij＝c_ji＝1；随机从第m已连接节点集中选取与第i个无线传感器节点断开的第j'个无线传感器节点，连接第i个无线传感器节点和第j'个无线传感器节点，其中0≤p_m≤1。

果场所处地势、气候以及排水设施各异，可能会出现一些特殊原因，导致一部分无线传感器节点无法连接至果场数据集中器，本发明对该情况做出特殊处理：重连次数m决定了重连节点需要进行多跳通信的次数为n次，若局部重连次数m到预设的达阈值N_max时，仍无法实现第m未连接节点集为零，则进行初始化，执行步骤1)，直至以低于N_max的局部重连次数实现第m未连接节点集为零，否则，再次进行初始化，执行步骤1)；若初始化次数达到预设的阈值M前，能实现第m未连接节点集为零，则本次构建小世界网络进程结束，否则由果场数据集中器向中心服务器发送故障信息已连接至果场数据集中器的各无线传感器节点正常工作；N_max和M为正整数在MCU控制模块中设定。

小世界网络构建成功后，网络的每一条边表示一条通信连接，每个无线传感器节点可以通过连边与其他无线传感器节点进行通信，能与果场集中器建立通信的无线传感器节点直接将数据发送至果场集中器，不能与果场集中器直接通信的无线传感器节点可以将数据传至其他节点，由其他节点转发，转发的次数平均是6次。

一种基于小世界网络的果类农产品溯源系统，由无线传感器网络、果场数据集中器以及中心服务器组成；无线传感器网络由至少一个无线传感器节点组成；在每棵果树处设置一个无线传感器节点，各无线传感器节点获取的数据直接发送至果场数据集中器，或者经至少一个无线传感器节点中转后发送至果场数据集中器；果场数据集中器将数据汇聚后，发送至中心服务器；外部用户端访问中心服务器的数据。各无线传感器节点直接与果场数据集中器无线连接，或者经至少一个无线传感器节点后与果场数据集中器无线连接；果场数据集中器与中心服务器无线连接；中心服务器与外部用户端无线连接，如图1所示。

无线传感器节点安装于各棵果树处，即为每棵果树设置一个无线传感器节点。无线传感器节点由MCU控制模块、无线发送接收模块、检测模块和电源模块组成。在各无线传感器节点的MCU控制模块，根据上述追溯方法构建小世界网络，将其对应的无线发送接收模块与果场数据集中器直接建立无线连接，或者通过其它无线传感器节点转接后与果场数据集中器间接建立无线连接；检测模块检测数据，将数据输入至MCU控制模块，由MCU控制模块为其所在果树生成一个唯一的ID号，将ID号和检测数据打包后直接发送至果场数据集中器，或经至少一个无线传感器节点中转后发送至果场数据集中器。将众多无线传感器节点被密集部署于果场，形成无中心节点、全分布式的无线传感器网络，具有规模大、密度高、动态性强的优点。无线传感器节点间具有良好的协作能力，通过局部的数据交换来完成全局任务。无线传感器节点的各组分连接关系为：无线发送接收模块与MCU控制模块相连；检测模块的输出端与MCU控制模块相连；各无线传感器节点通过无线发送接收模块相互连接，或者直接与果场数据集中器无线连接；电源模块与MCU控制模块、无线发送接收模块、检测模块的供电端相连，如图2所示。

检测模块的检测过程具有可重复性，可连续测定，检测到的数据用于提供给果农，便于果农实时掌握果树的生长状况，以及根据需求及时改善土壤；用于提供给销售者和消费者，便于购买者了解自己购置的果类农产品的实际生长情况。果树在适宜的温度下，才能健康生长、开花、结果，在果树不同的生长阶段，低于或高于适宜生长的温度，会导致果树生长缓慢、生成病害、甚至休眠；果树根系需吸收水分、养分，通过导管运送至果树上，经输液进行光合作用，生成碳水化合物，提供果树生长的能源，水分过量或不足，均容易导致果树根系的吸收能力减弱，减缓果树生长，降低产量；随着城乡工业化进程的加快，三废的超标排放导致果场出现了重金属污染，主要由铜、镉、汞等，容易导致果树生长缓慢、树梢枯萎甚至死亡，果类农产品通过食物链进入人体，危害极大。根据实际需求，检测模块设置了土壤温湿度传感器、生长环境温湿度传感器和重金属含量检测传感器；土壤温湿度传感器的输出端与MCU控制模块相连；生长环境温湿度传感器的输出端与MCU控制模块相连；重金属含量检测传感器的输出端与MCU控制模块相连，如图2所示；土壤温湿度传感器用于检测果树所在土壤的温湿度，生长环境温湿度传感器用于检测果树所处的生长环境的温湿度，重金属含量检测传感器用于检测果树所在土壤的重金属含量；各检测数据发送至MCU控制模块进行处理。

土壤温湿度传感器需应对复杂的野外环境，除自身需具备高精度、高防护等级、高可靠性、卓越的长期稳定性以及高抗干扰能力的特点之外，还需外加防护套后，埋入土壤中，注意土壤不能堵住防护套口，且土壤温湿度传感器的探头需露出土壤部分约1厘米，否则无法检测或者检测结果不准确；土壤温湿度传感器外壳采用耐碱、耐腐蚀材料，内部集成温湿度数字传感器，内设温敏元件和湿敏元件，经模数转换器转换后，对外输出数字量；土壤温湿度传感器采用热电阻，利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中的传播频率来测试土壤的表观介电常数的变化，将这些变化转变为与土壤体积含水量成比例的mV信号来计算土壤体积含水量。生长环境温湿度传感器置于果树生长的环境中，用于检测果树周围环境的温湿度；生长环境温湿度传感器与土壤温湿度传感器一样，同样需要具备高精度、高防护等级高可靠性、卓越的长期稳定性以及高抗干扰能力的特点；设置了温度补偿电路，在环境温度低于25摄氏度时，运用实时温度以及相关参数对相对湿度进行补偿，以获取准确的相对湿度。重金属含量检测传感器为电化学传感器，对土壤中重金属采用电化学中的阳极溶出伏安法，即运用了重金属在不同电位条件下易发生氧化还原反应的原理，可同时测定多个元素含量；电化学传感器的电极在某个恒定电位下电解土壤中重金属，经过一定时间的休止期，反向改变电位，使得富集在工作电极表面的重金属逐个溶出，采集记录溶出过程中的电流-电压曲线，输入至MCU控制模块；具有操作简单、抗干扰性强、灵敏度高的特点，是检测土壤重金属最有效的方案。

各无线传感器节点均具有无线通信功能，以无线方式对果树各数据进行传输。在各无线传感器节点均设置无线发送接收模块，用于将检测模块检测到的数据以无线方式直接发送至果场数据集中器进行汇总，或经其它至少1个无线传感器节点转发至果场数据集中器进行汇总。无线发送接收模块需具备传输距离远、抗干扰性强的优点。

电源模块为其所在的无线传感器节点各模块供电，充分运用太阳能，避免利用市电产生的巨大的能源和成本耗费。电源模块包括辅助电源、锂电池、柔性薄膜光伏电池阵列以及MPPT智能充电模块；柔性薄膜光伏电池阵列的一路输出端与MPPT智能充电模块的一路输入端相连，柔性薄膜光伏电池阵列的另一路输出端与MPPT智能充电模块的另一路输入端相连；MPPT智能充电模块的输出端与锂电池正极相连，MPPT智能充电模块的输出端与辅助电源的一路输入端相连；锂电池的负极与MPPT智能充电模块的另一路输入端相连，锂电池的负极与辅助电源的另一路输入端相连；辅助电源的3路输出端分别与MCU控制模块、无线发送接收模块及检测模块的供电端相连。在柔性薄膜光伏电池阵列的输出端还并联有一电容，电容的一端与二极管阳极相连，二极管阴极与MPPT智能充电模块的一路输入端相连，电容的另一端与MPPT智能充电模块的另一路输入端相连，如图2所示。

光伏电池将太阳光直接转换为电能，单体光伏电池不能作为电源使用，通常是将若干各单体电池进行适当连接并经过封装后，组成一个可以单独对外供电的组件，即光伏电池板，其功率为几瓦到几十瓦，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力；单个组件不能满足较高电压和电流时，将多个组件通过串联或并联进行连接后，组装到固定的机械结构上，形成直接发电的单元，即光伏电池阵列；本发明的柔性薄膜光伏电池阵列为光伏电池阵列的一种，采用柔性薄膜光伏电池阵列是一种高效能源产品，其原材料实用的硅量极少，大大降低成本；太阳光照射到柔性薄膜光伏电池阵列上时，柔性薄膜光伏电池阵列吸收光能产生光生电子-空穴对，在内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，形成光生电动势，与外电路接通时，产生电流。MPPT，即最大功率点跟踪，MPPT智能充电模块实时侦测柔性薄膜光伏电池阵列的回路直流电压以及输出电压，计算柔性薄膜光伏电池阵列的输出功率，并追踪最高电压、最高电流值，使得柔性薄膜光伏电池阵列以最大功率输出，对锂电池充电，用于协调柔性薄膜光伏电池阵列的工作，相当于柔性薄膜光伏电池阵列的大脑。锂电池为磷酸铁锂电池，磷酸铁锂电池以磷酸铁锂作为正极材料，具有高温性能好、容量大、无记忆效应、重量轻、环保的优点。辅助电源用于将锂电池的电能转接至MCU控制模块、无线发送接收模块和检测模块，以及用作延时或者检测锂电池的充电情况。

果场数据集中器用于汇聚无线传感器网络中的打包数据，在果场数据集中器还设置了GPS定位模块和/或北斗定位模块，用于获取果场所在地的地址，用作果类农产品的产地信息，将各打包数据及产地信息再次打包，发送至中心服务器。北斗定位模块接收来自北斗导航系统BDS发出的导航电文，对导航电文进行解析，得到经度和纬度，经处理后解析出地址信息；GPS获取GPS卫星信号并对搜索到的卫星进行追踪，根据GPS信号解析出果场所在地的位置具有覆盖面积广，定位精度高，定位速度快等特点。采用北斗定位和/或GPS定位技术，提高了定位质量。

在中心服务器建立溯源数据库，中心服务器接收到果场数据集中器发送来的数据后，根据ID号为每棵果树建立档案，将产地信息、各ID号及其对应的检测数据存储至溯源数据库中；在中心服务器建立动态网站，用于为外部用户端提供显示和查询溯源数据库的界面；在中心服务器建立后台管理平台，用于为外部用户端提供管理接口，对各档案进行审核和验证；在中心服务器设置二维码生成模块，二维码生成模块将果类农产品的溯源链接生成二维码，将二维码粘贴到果类农产品上，外部用户端通过二维码访问溯源数据库。果农将二维码打印出制成标签，粘贴在该果树产生的果类农产品上，即每个果类农产品均获得二维码。在外部用户端，管理者利用安装有管理软件APP软件的手机管理端，通过2G、3G、4G移动互联网或Wi-Fi直接访问果场数据集中器，或者通过因特网，进一步访问中心服务器的数据库，对溯源数据库中的数据信息进行审核和验证；果类农产品流通至市场，消费者可利用安装有客户端APP软件的手机客户端扫描所购置的果产品上粘贴的二维码，通过2G、3G、4G移动互联网或Wi-Fi直接访问果场数据集中器，或者通过因特网，进一步访问中心服务器的数据库；果农、管理者和消费者还可以利用电脑，通过因特网访问中心服务器的溯源数据库。

小世界网络的构建时间体现的是本发明构建小世界网络的效率，小世界网络的构建时间指的是无线传感器网络从通电至形成小世界网络所需的时间。各MCU控制器控制模块构建小世界网络的时间效果图，如图3中所示，从图3中可以看出：重连概率p为0.3和0.5时，随着无线传感器节点数N的增加，小世界网络构建的时间均维持在300ms以内，且比较稳定；而p为0.1时，小世界网络的构建时间随着N的变化出现很大的扰动。选择重连概率是0.3或0.5时，小世界网络的构建时间不会因无线传感器网络中的节点数增加而发生很大的变化，而是均能维持在一个很短的时间内，即p取0.3或0.5时，本发明构建小世界网络的效率较高。

在本发明中，各无线传感器节点中的MCU控制模块根据上述构建小世界网络的方法与果场数据集中器或者其它无线传感器节点建立连接，形成小世界网络；各无线传感器节点中的检测模块检测其所在的果树处的土壤温湿度、生长环境温湿度以及重金属含量，检测数据输入至MCU控制模块中，MCU控制模块将其产生的具有唯一性的ID和检测数据通过无线发送接收模块直接发送至果场数据集中器，或者借助其它无线传感器节点中的无线发送接收模块将检测数据转发至果场数据集中器中，果场数据集中器接收打包的数据，将打包的数据以及其所定位的位置信息重新打包，发送至中心服务器，外部用户端通过网络访问果场数据集中器或中心服务器，获取果类农产品的产地、该过类农产品所在果树所处的土壤温湿度、生长环境温湿度以及重金属含量信息。

Claims (8)

1.一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法，其特征在于，通过以下步骤构建小世界网络：

1)各无线传感器节点自行尝试与果场数据集中器建立连接，将能与果场数据集中器建立连接的各无线传感器节点的集合定义为第1已连接节点集，将未能与果场数据集中器建立连接的各无线传感器节点的集合定义为第1未连接节点集，将第1已连接节点集与第1未连接节点集的并集定义为第1总节点集；执行步骤2)；

2)以第1总节点集为基础，构建度为D的临近耦合规则网络模型，所述临近耦合规则网络模型的耦合矩阵为C_nc为：当i≠j时，c_ij＝c_ji＝1或c_ij＝c_ji＝0；当i＝j时， $c_{ii}=-\underset{j\≠i}{\overset{N}{\underset{j=1}{\Σ}}}{c}_{ij}=-\underset{j\≠i}{\overset{N}{\underset{j=1}{\Σ}}}{c}_{ji}=-D$

式中，N为大于等于1的正整数，N表示第1总节点集中各无线传感器节点的数量总和；i为小于等于N的正整数，i表示第i个无线传感器节点；j为小于等于N的正整数，j表示第j个无线传感器节点；c_ij＝c_ji＝1表示第i个无线传感器节点与第j个无线传感器节点无线连接，c_ij＝c_ji＝0表示第i个无线传感器节点与第j个无线传感器节点断开；执行步骤3)；

3)从第1未连接节点集中选取相互连接的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，断开第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，随机从第1已连接节点集中选取与第i个无线传感器节点断开的第j'个无线传感器节点，连接第i个无线传感器节点和第j'个无线传感器节点；其中，j'为小于等于N的正整数，j'表示第j'个无线传感器节，j'≠i，j≠j'；执行步骤4)；

4)第1未连接节点集中与第1已连接节点集中的无线传感器节点建立连接的各无线传感器节点为第2已连接节点集；第1未连接节点集中其余的各无线传感器节点为第2未连接节点集；若第2未连接节点集为零，则结束本次构建小世界网络的进程，否则，执行步骤5)；

5)进行至少一次局部重连，所述局部重连为：第m-1次局部重连结束时，第m-1未连接节点集中与第m-1已连接节点集中的无线传感器节点建立连接的各无线传感器节点为第m已连接节点集；第m-1未连接节点集中其余的各无线传感器节点为第m未连接节点集；进行第m次局部重连，从第m已连接节点集选取相互连接的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，断开第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，随机从第m已连接节点集中选取与第i个无线传感器节点断开的第j'个无线传感器节点，连接第i个无线传感器节点和第j'个无线传感器节点；m为大于等于2的正整数；上述局部重连连续进行，直至第m未连接节点集为零，结束本次构建小世界网络的进程。

2.根据权利要求1所述的一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法，其特征在于：

步骤3)中，从第1未连接节点集中选取c_ij＝c_ji＝1的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，以第0设定概率p₀将c_ij和c_ji修改为c_ij＝c_ji＝0，即针对第1未连接节点集中的各相互连接的无线传感器节点，以第1设定概率p₀将c_ij和c_ji修改为c_ij＝c_ji＝0，另一部分以1-p₀的概率仍保持为c_ij＝c_ji＝1；随机从第1已连接节点集中选取与第i无线传感器节点相互断开的无线传感器节点j′，此时c_ij′＝c_j′i＝0，将其修改为c_ij′＝c_j′i＝1，其中0≤p₀≤1。

3.根据权利要求1所述的一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法，其特征在于：

步骤5)中，进行第m次局部重连时，从第m已连接节点集选取相互连接的第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点，以第m设定概率p_m断开第i个无线传感器节点和第j个无线传感器节点；即针对第m-1未连接节点集中的各相互连接的无线传感器节点，第m设定概率以p_m将c_ij和c_ji修改为c_ij＝c_ji＝0，另一部分以1-p_m的概率仍保持为c_ij＝c_ji＝1；随机从第m已连接节点集中选取与第i个无线传感器节点断开的第j'个无线传感器节点，连接第i个无线传感器节点和第j'个无线传感器节点，其中0≤p_m≤1。

4.根据权利要求1所述的一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法，其特征在于：

若局部重连次数m到预设的达阈值N_max时，仍无法实现第m未连接节点集为零，则进行初始化，执行步骤1)，直至以低于N_max的局部重连次数实现第m未连接节点集为零，否则，再次进行初始化，执行步骤1)；若初始化次数达到预设的阈值M前，能实现第m未连接节点集为零，则本次构建小世界网络进程结束，否则由果场数据集中器向中心服务器发送故障信息；N_max和M为正整数。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法的系统，其特征在于：

由无线传感器网络、果场数据集中器以及中心服务器组成；

所述无线传感器网络由至少一个无线传感器节点组成；在每棵果树处设置一个无线传感器节点，所述无线传感器节点包括MCU控制模块、无线发送接收模块和检测模块；所述检测模块检测数据，将数据输入至MCU控制模块，由MCU控制模块为其所在果树生成一个ID号，将所述ID号和检测数据打包后直接发送至果场数据集中器，或经至少一个无线传感器节点中转后发送至果场数据集中器；所述果场数据集中器将各无线传感器节点发送来的打包数据汇聚后，发送至所述中心服务器；外部用户端访问所述中心服务器的数据。

6.根据权利要求5所述的一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法的系统，其特征在于：

所述检测模块由土壤温湿度传感器、生长环境温湿度传感器和重金属含量检测传感器组成；所述土壤温湿度传感器用于检测果树所在土壤的温湿度，所述生长环境温湿度传感器用于检测果树所处的生长环境的温湿度，所述重金属含量检测传感器用于检测果树所在土壤的重金属含量；所述各检测数据发送至MCU控制模块进行处理。

7.根据权利要求5所述的一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法的系统，其特征在于：

所述无线传感器节点进一步包括电源模块；所述电源模块包括辅助电源、锂电池、柔性薄膜光伏电池阵列以及MPPT智能充电模块；

所述柔性薄膜光伏电池阵列将太阳能转换为电能；所述MPPT智能充电模块对所述柔性薄膜光伏电池阵列输出的电能进行追踪，保证所述柔性薄膜光伏电池阵列以最大功率向所述锂电池供电；所述辅助电池用于转接锂电池的电能至MCU控制模块、无线发送接收模块和检测模块的供电端口，还用于延时或检测锂电池的充电情况。

8.根据权利要求5所述的一种基于小世界网络的果类农产品溯源方法的系统，其特征在于：

在所述中心服务器建立溯源数据库、动态网站、后台管理平台以及二维码模块；所述中心服务器接收到所述果场数据集中器发送来的数据后，根据ID号为每棵果树建立档案，将各ID号及其对应的检测数据存储至所述溯源数据库中；所述动态网站用于为外部用户端提供显示和查询溯源数据库的界面；所述后台管理平台用于为外部用户端提供管理接口，对所述各档案进行审核和验证；所述二维码生成模块将果类农产品的溯源链接生成二维码，所述二维码粘贴到果类农产品上，外部用户端通过二维码访问溯源数据库。