CN105978941A - 一种基于农田墒情监测的无线传感器网络节点节能监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于农田墒情监测的无线传感器网络节点节能监测方法，该系统由三层网络组成：底层为无线传感器网络，中层为GPRS网络，上层为Internet网络，底层和中层通过设置网关节点连接，中层和上层则利用公共移动网关连接。所述底层无线传感器网络由多个无线传感器节点组成，传感器节点之间通过无线通讯模块通信，传感器节点主要负责数据的采集、处理和传输。所述中层GPRS网络由网关节点组成，完成传感器节点的信息交汇、数据存储、指令收发以及参数远程设置能功能。所述上层Internet网络由远程服务器和各客户端组成。服务器从网关节点接收信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制、网络发布、决策支持等。

Description

一种基于农田墒情监测的无线传感器网络节点节能监测方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络定位技术领域，具体涉及一种基于农田墒情监测的无线传感器网络节点节能监测方法。

背景技术

农田墒情信息是现代农业实施精准施肥、精确灌溉的重要科学依据。随着信息技术和通信技术的发展，无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术，已逐步渗透到农业领域，可用于农田土壤墒情信息的精确、快速、连续测量。

由于硬件的限制和低成本要求，无线传感器节点只能配备有限的能量，网络可以运行的最长时间，即网络生存期受到限制。而在实际农田土壤墒情监测系统中，传感器节点可能达到成百上千个，频繁更换电池耗时耗力，还会带来环境污染，因此要求无线传感器网络能运行较长时间。所以，如何降低传感器节点功耗是设计无线传感器网络的关键问题。

在农田墒情监测的无线传感器网络中，传感器节点的主要任务是采集土壤墒情信息、处理本地数据和传输数据。产生功耗的三个主要部分是：感应、数据处理和通信，在这三者中，通信的功耗远远超过感应和数据处理所消耗的能量。所以，节能高效的通信协议和算法至关重要。

目前，农田墒情监测系统无线传感器网络存在以下问题：1.农田面积广，传感器节点多。不利于为每个传感器分配地址，拓扑结构复杂；2.节点分布密度小，相邻节点通信距离大，通常可达到50-100m。由于通信功耗和距离的n(n≥2)次方成正比，节点消耗能量大。3.周期采集数据上报。由于土壤墒情信息变化缓慢，传感器网络不需要高度实时性的传输数据，以免造成功耗的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种实用性好，能耗低的基于农田墒情监测的无线传感器网络节点节能监测方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于农田墒情监测的无线传感器网络节点节能监测方法，步骤如下：

(1)设置监测系统

监测系统由三层网络组成：底层为无线传感器网络，中层为GPRS网络，上层为Internet网络，底层和中层通过设置网关节点连接，中层和上层则利用公共移动网关连接；

底层无线传感器网络由多个无线传感器节点组成，无线传感器节点之间通过无线通讯模块通信，无线传感器节点主要负责数据的采集、处理和传输；

中层GPRS网络由网关节点组成，完成无线传感器节点的信息交汇、数据存储、指令收发以及参数远程设置能功能；

上层Internet网络由远程服务器和各客户端组成，服务器从网关节点接收信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制、网络发布、决策支持等；

(2)无线传感器节点设置

无线传感器节点采用分簇结构的路由协议，将被测量农田分成若干个区域，每个区域部署一定数量的无线传感器节点，其中有一个无线传感器节点为簇头节点，其余无线传感器节点为簇成员，在不影响获取整个区域土壤墒情准确度的情况下，尽量使簇成员均匀分布在簇头节点的周围，使区域内无线传感器节点的功耗和为最低；

每个无线传感器节点将采集的墒情信息传给本区域的簇头节点，簇头节点对各个无线传感器节点的数据进行分析、处理，如求平均值，以获取本检测区域整体土壤墒情信息；簇头节点将处理、融合后的数据传输给更高一级的簇头，直至到达网关节点；

簇头节点由墒情监测传感器模块、控制器模块、北斗定位模块、无线通讯模块和电源模块组成；所述墒情监测传感器模块为四通道温湿度变送器，监测土壤的含水率、气温、相对湿度和地下水位；四通道温湿度变送器输出的电压信号送控制器模块的AD内，经AD转换，控制器模块对转换后的数据进行处理，由经验公式可计算出各信息参数；

所述控制器模块采用低功耗的STM32F101T4型号的单片机，所述北斗定位模块采集检测区域所在位置信息，并传输给控制器模块，控制器模块将本区域的位置信息和计算出的土壤墒情参数通过无线通讯模块无线发送；

考虑到农田阳光充足和簇头节点的通信任务重，功耗需求大，所述供电电源采用太阳能和锂电池两级能源供电，为商情监测传感器模块、控制器模块、北斗定位模块和无线通讯模块提供能源；

考虑到无线传感网络的低成本要求，簇成员节点不安装北斗定位模块，由于簇成员任务轻，功耗消耗低，电源仅含锂电池；

(3)监测方式

系统初始化，通过远程服务器设置计数时间参数和门限值，考虑到土壤墒情信息变化缓慢和功耗因素，计数时间参数可设置较长；门限值可根据需要灵活设置；设置后的参数由上层网路向下层网络传输，最终到达各个无线传感器节点；

无线传感器节点按计数时间定期向簇头节点传输数据，簇头节点将处理后的信息传给下一跳簇头，最终所有簇头的数据都会汇聚到网关节点，网关节点对各簇头的数据进行融合，通过GPRS网络传给移动网关，移动网关再将数据通过Internet网络或公共移动网络传输给远程的服务器，远程服务器对数据解析、处理、图表绘制、网络发布、决策支持等；

通过网络终端可实时了解土壤墒情的变化情况，在一个计数时间周期内，无线传感器节点会继续监测土壤墒情信息，若新测量的数据与前一次检测的数据之间的差异超过了门限值，这时传感器节点将立即启动无线通讯模块将新数据发送，若二者之间差异小于门限值，传感器节点就不会发送信息。

本发明的有益效果是：

(1)由于传感器节点采用分簇结构，节点之间的通信只在每个簇之间进行，大部分的监测信息被传输给少量的簇头，而其他节点则执行简单的任务，这种方法延长了整个网络的生存期，且使网络具有可扩展性；

(2)簇头采用太阳能和锂电池两级能源供电，由于簇头节点通信任务重，功耗大，利用太阳能和锂电池两级能源分时为簇头节点供电；保证簇头节点能量充足，保证其他节点的功耗不被增加，提高网络的生存期；

(3)采用周期和门限感知相结合的通信算法，由于土壤湿度信息变化缓慢，人们感兴趣的也不是严格的土壤湿度随连续时间变化的关系，而是土壤墒情达到什么程度，是否需要灌溉或何时适合施肥等，所以传感器节点并不需要高度实时传输数据。该算法缩短了传感器节点的通信时间，节省了功耗。

附图说明

图1为本发明总体框架示意图；

图2为本发明无线传感器节点分簇结构示意图；

图3为本发明簇头节点结构示意图；

图4为本发明算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种基于农田墒情监测的无线传感器网络节点节能监测方法，该系统由三层网络组成：底层为无线传感器网络10，中层为GPRS网络20，上层为Internet网络或公共移动通信网络30，底层无线传感网络10和中层GPRS网络20通过网关节点201连接，中层GPRS网路20和上层Internet网络30则利用移动网关50连接。所述底层无线传感器网络10硬件由多个无线传感器节点101组成，无线传感器节点101之间通过无线通讯模块通信，无线传感器节点101主要负责数据的采集、处理和传输。所述中层GPRS网络20硬件由网关节点201组成，无线传感器节点101所采集的数据最终到要汇聚到网关节点201，该网关节点201完成无线传感器节点101的信息交汇、数据存储和指令收发等功能。所述上层Internet网络30硬件由远程服务器301和各客户端302组成，服务器301连接有监视器303；服务器301从网关节点201接收信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制、网络发布、决策支持等。

如图2所示，无线传感器节点101采用分簇结构的路由协议。将被测量农田分成若干个区域，每个区域部署一定数量的无线传感器节点101，其中有一个节点为簇头102，其余节点为簇成员103，在不影响获取整个区域土壤墒情准确度的情况下，尽量使簇成员103均匀分布在簇头102的周围，使区域内无线传感器节点101的功耗和为最低。每个无线传感器节点101将采集的墒情信息传给本区域的簇头102节点，簇头102节点对各个无线传感器节点101的数据进行分析、处理，如求平均值，以获取本检测区域整体土壤墒情信息。簇头102节点将处理、融合后的数据传输给更高一级的簇头，直至到达网关节点201。

如图3所示，簇头节点由墒情监测传感器模块、控制器模块、北斗定位模块、无线通讯模块和电源模块组成。所述墒情监测传感器模块为四通道温湿度变送器，监测土壤的含水率、气温、相对湿度和地下水位。四通道温湿度变送器输出的电压信号送控制器模块的AD，经AD转换，控制器模块对转换后的数据进行处理，由经验公式可计算出各信息参数。所述控制器模块采用低功耗的STM32F101T4型号的单片机，所述北斗定位模块采集检测区域所在位置信息，并传输给控制器模块，控制器模块将本区域的位置信息和计算出的土壤墒情参数通过无线通讯模块无线发送。考虑到农田阳光充足和簇头节点的通信任务重，功耗需求大，所述供电电源采用太阳能和锂电池两级能源供电，为商情监测传感器模块、控制器模块、北斗定位模块和无线通讯模块提供能源。考虑到无线传感网络的低成本要求，簇成员节点不安装北斗定位模块，由于簇成员任务轻，功耗消耗低，电源仅含锂电池。

工作方法：

如图4所示，系统初始化，通过远程服务器设置计数时间参数和门限值，考虑到土壤墒情信息变化缓慢和功耗因素，计数时间参数可设置较长。门限值可根据需要灵活设置。设置后的参数由上层网路向下层网络传输，最终到达各个传感器节点。传感器节点按计数时间定期向簇头传输数据，簇头节点将处理后的信息传给下一跳簇头，最终所有簇头的数据都会汇聚到网关节点，网关节点对各簇头的数据进行融合，通过GPRS网络传给移动网关，移动网关再将数据通过Internet网络或公共移动网络传输给远程的服务器，远程服务器对数据解析、处理、图表绘制、网络发布、决策支持等。通过网络终端可实时了解土壤墒情的变化情况。在一个计数时间周期内，传感器节点会继续监测土壤墒情信息，若新测量的数据与前一次检测的数据之间的差异超过了门限值，这时传感器节点将立即启动无线通讯模块将新数据发送，若二者之间差异小于门限值，传感器节点就不会发送信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于农田墒情监测的无线传感器网络节点节能监测方法，其特征在于，步骤如下：

(1)设置监测系统

监测系统由三层网络组成：底层为无线传感器网络，中层为GPRS网络，上层为Internet网络，底层和中层通过设置网关节点连接，中层和上层则利用公共移动网关连接；

底层无线传感器网络由多个无线传感器节点组成，无线传感器节点之间通过无线通讯模块通信，无线传感器节点主要负责数据的采集、处理和传输；

中层GPRS网络由网关节点组成，完成无线传感器节点的信息交汇、数据存储、指令收发以及参数远程设置能功能；

上层Internet网络由远程服务器和各客户端组成，服务器从网关节点接收信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制、网络发布及决策支持；

(2)无线传感器节点设置

无线传感器节点采用分簇结构的路由协议，将被测量农田分成若干个区域，每个区域部署一定数量的无线传感器节点，其中有一个无线传感器节点为簇头节点，其余无线传感器节点为簇成员，在不影响获取整个区域土壤墒情准确度的情况下，尽量使簇成员均匀分布在簇头节点的周围，使区域内无线传感器节点的功耗和为最低；

每个无线传感器节点将采集的墒情信息传给本区域的簇头节点，簇头节点对各个无线传感器节点的数据进行分析、处理，如求平均值，以获取本检测区域整体土壤墒情信息；簇头节点将处理、融合后的数据传输给更高一级的簇头，直至到达网关节点；

(3)监测方式

系统初始化，通过远程服务器设置计数时间参数和门限值，考虑到土壤墒情信息变化缓慢和功耗因素，计数时间参数可设置较长；门限值可根据需要灵活设置；设置后的参数由上层网路向下层网络传输，最终到达各个无线传感器节点；

无线传感器节点按计数时间定期向簇头节点传输数据，簇头节点将处理后的信息传给下一跳簇头，最终所有簇头的数据都会汇聚到网关节点，网关节点对各簇头的数据进行融合，通过GPRS网络传给移动网关，移动网关再将数据通过Internet网络或公共移动网络传输给远程的服务器，远程服务器对数据解析、处理、图表绘制、网络发布及决策支持；

通过网络终端实时了解土壤墒情的变化情况，在一个计数时间周期内，无线传感器节点会继续监测土壤墒情信息，若新测量的数据与前一次检测的数据之间的差异超过了门限值，这时传感器节点将立即启动无线通讯模块将新数据发送，若二者之间差异小于门限值，传感器节点就不会发送信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于农田墒情监测的无线传感器网络节点节能监测方法，其特征在于，所述的簇头节点由墒情监测传感器模块、控制器模块、北斗定位模块、无线通讯模块和电源模块组成；

所述墒情监测传感器模块为四通道温湿度变送器，监测土壤的含水率、气温、相对湿度和地下水位；四通道温湿度变送器输出的电压信号送控制器模块的AD内，经AD转换，控制器模块对转换后的数据进行处理，由公式计算出各信息参数；

所述控制器模块采用低功耗的STM32F101T4型号的单片机，所述北斗定位模块采集检测区域所在位置信息，并传输给控制器模块，控制器模块将本区域的位置信息和计算出的土壤墒情参数通过无线通讯模块无线发送；

所述供电电源采用太阳能和锂电池两级能源供电，为商情监测传感器模块、控制器模块、北斗定位模块和无线通讯模块提供能源。