CN106198866B - 基于无线传感网络的农场空气质量监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感网络的农场空气质量监测系统，包括相互通信连接的数据采集前端、中间管理服务器、监测中心服务器和客户端；数据采集前端采集农场空气质量数据，并传输到中间管理服务器，中间管理服务器将接收到的农场空气质量数据传送到监控中心服务器，同时，对各采集节点工作状态进行控制，有效的缓解了网络拥塞，保证了数据的实时性、稳定性和有效性，对延长无线传感器网络寿命有显著的效果；监测中心服务器对数据进行集中处理与存储，用户登录客户端查看农场内各节点空气质量的实时监测信息，根据农场内空气污染程度，及时采取有效的处理措施，降低空气污染等级，保证农场内种植和养殖的农产品绿色无污染。

Description

基于无线传感网络的农场空气质量监测系统
技术领域
本发明属于农业生产技术领域，涉及一种空气质量监测系统，具体是一种基于无线传感网络的农场空气质量监测系统。
背景技术
“民以食为天，食以安为先。”但是食品安全问题却时有发生，造成的危害和损失让人痛心，食品安全问题关系着广大人民的日常生活，与每一个人息息相关，安全的食品带给我们的不单单是填饱肚子，更重要是满足我们对放心、安全、绿色、不危及生命的放心食品的需要。
食品安全需要从源头掌控，对农业基地环境进行实时监控，要求空气、土壤、水质一定达标，良好生态环境能孕育优质的产品，以优质、无毒、无激素的纯绿色上乘品质产品走进市场。
目前，越来越多的农场开始使用空气质量监测系统对农场空气环境进行检测，空气质量监测系统简而言之就是一个信息管理系统，需要对空气信息进行采集、转发存储和数据分析，使用已有的通信技术，构建一个集采集、存储和分析于一体的系统，对农场空气污染进行实时监测。
在实际的农场空气质量监测中，不仅要获得当前准确实时的空气环境数据，同时需要对这些数据进行分析处理，以便于对未来的环境变化做准确预判或者根据采集到的污染数据制定有效的污染治理措施，需要在农场内铺设大量的无线传感器节点以获得丰富、准确、实时的数据。然而，由于无线传感器通信宽带有限，大量数据在传输过程中可能会造成网络拥塞而导致数据失真，给数据分析人员带来困难。同时，无线传感器节点能量有限，在实际应用中更换电池费时费力，因此，需要设计一种节点睡眠调度机制对无线传感器进行调度处理，保证通讯网络畅通且能获得有效数量的同时均衡各传感器节点能量消耗，延长无线传感器网络使用寿命，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时、稳定、有效的基于无线传感网络的农场空气质量监测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于无线传感网络的农场空气质量监测系统，包括
数据采集前端，包括Zigbee协调器节点和若干组采集节点组成的Zigbee网络，用于采集农场空气质量数据；
中间管理服务器，起起承转合作用，将接收到的农场空气质量数据进行输出，同时对数据采集前端的各采集节点工作状态进行控制；
监测中心服务器，用于接收中间管理服务器输出数据，并对数据进行集中处理和存储；
客户端，用于访问监测中心服务器内的数据并将接收到的数据进行展示；
所述的数据采集前端与中间管理服务器通信连接，所述的中间管理服务器与监测中心服务器通信连接，所述的监测中心服务器与客户端通信连接；
所述的中间管理服务器包括
数据传输模块，用于接收来自数据采集终端传送的数据，并对数据进行格式转换后发送到监测中心服务；
命令控制模块，用于接收来自数据采集终端传送的数据，并根据预先设置的阀值对接收数据进行判断，若数据超出阀值，则向对应采集节点发送重新采集的命令；
状态控制模块，根据预先设置的睡眠调度机制控制采集节点的工作状态。
进一步地，所述的采集节点包括用于采集空气中有害气体浓度数据的气体传感器、用于对采集数据进行处理的微处理器、用于组建Zigbee网络和传输数据的传输模块以及用于给采集节点供电的电源模块。
进一步地，所述的监测中心服务器包括用于存储农场空气质量数据的数据库服务器，数据库服务器连接有用于对农场空气质量数据进行处理的应用服务器。
本发明的有益效果：本发明整体结构分为数据采集前端、中间管理服务器、监测中心服务器和客户端四个部分，感知单元由多个采集节点构成Zigbee网络，获取农场空气中二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、臭氧和PM2.5等多个空气质量数据，并通过Zigbee协调节点准确及时的传输到中间管理服务器，中间管理服务器将接收到的农场空气质量数据传送到监控中心服务器，同时，对各采集节点工作状态进行控制，有效的缓解了网络拥塞，保证了数据的实时性、稳定性和有效性，在保证通讯网络畅通且能获得有效数量的同时均衡各传感器节点能量消耗，对延长无线传感器网络寿命有显著的效果；监测中心服务器对数据进行集中处理与存储，用户通过PC终端或移动终端登录客户端查看农场内各节点空气质量的实时监测信息，使农场管理人员可以随时随地获取农场内空气污染情况，实现对农场空气质量的快速、实时、网络化的连续监测，管理人员可根据农场内空气污染程度，及时采取有效的处理措施，降低空气污染等级，保证农场内种植和养殖的农产品绿色无污染，打造优质、无毒、无激素的纯绿色上乘品质产品，真正做到农产品天然、无污染。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种基于无线传感网络的农场空气质量监测系统，包括数据采集前端1、中间管理服务器2、监测中心服务器3和客户端4，数据采集前端1与中间管理服务器2通信连接，中间管理服务器2与监测中心服务器3通信连接，监测中心服务器3与客户端4通信连接。
数据采集前端1包括Zigbee协调器节点和500组采集节点组成的Zigbee网络，采集节点包括用于采集空气中有害气体浓度数据的气体传感器101、用于对采集数据进行处理的微处理器102、用于组建Zigbee网络和传输数据的传输模块103以及用于给采集节点供电的电源模块104。气体传感器包括一氧化碳传感器、二氧化硫传感器、臭氧传感器、二氧化氮传感器以及PM2.5传感器。
各采集节点间相互通信，并将采集的农场空气质量数据发送到Zigbee协调器节点，Zigbee协调器节点串口连接GPRS网关，通过GPRS无线网络将接收到的数据打包发送到中间管理服务器2。
中间管理服务器2为介于数据采集前端1与监测中心服务器3之间的过渡层，起到起承转合的作用，将接收到的农场空气质量数据传送到监控中心服务器3，同时，对数据采集前端1的各采集节点工作状态进行控制，使得各不相同的应用程序能够在屏蔽掉底层硬件差异的情况下，保证各个组件之间正常通信，提供一个开发与运行的环境和接口。
中间管理服务器2包括数据传输模块201、命令控制模块202以及状态控制模块203。
数据传输模块201接收来自数据采集终端1传送的数据，并对数据进行格式转换后发送到监测中心服务3。
命令控制模块202接收来自数据采集终端1传送的数据，并根据预先设置的阀值对接收数据进行判断，若数据超出阀值，则向对应采集节点发送重新采集的命令，有效避免了因采集节点出现故障和断电引发的错误，提高了系统容错性。
状态控制模块203根据预先设置的睡眠调度机制控制采集节点的工作状态，睡眠调度机制如下：
采集节点工作状态分为睡眠状态、半睡眠状态和活动状态。
睡眠状态：处于睡眠状态的采集节点只进行数据采集，而不进行数据传输，经过设定时间t后，自动转入半睡眠状态；
半睡眠状态：处于半睡眠状态的采集节点基于预设的调度算法选举出最具代表性的采集节点，该代表采集节点进入活动状态，否则回到睡眠状态。
活动状态：处于活动状态的采集节点进行数据采集，并将采集到的数据传送至Zigbee协调节点，工作设定时间t后，自动转入睡眠状态，并且不参与下一轮选举。
处于半睡眠状态的各个采集节点采集空气质量数据，并传送到中间管理服务器2，中间管理服务器2将空气质量数据转化为API指数，并根据污染标准指数等级表判断对应采集节点的污染等级，其通信半径内的区域都属于该等级域块。若相邻采集节点处于同一等级，则其所在的区域将可以合并为同一的等级域块。针对同一等级的域块，选择一代表采集节点进入活动状态，并将采集到的数据作为该区域污染浓度的采样值发送至Zigbee协调节点，其他采集节点全部回到睡眠状态。状态控制模块203通过调度机制对各采集节点工作状态进行控制，有效的缓解了网络拥塞，保证了数据的实时性、稳定性和有效性，在保证通讯网络畅通且能获得有效数量的同时均衡各传感器节点能量消耗，对延长无线传感器网络寿命有显著的效果。
表1：污染标准指数等级表
监测中心服务器3包括用于存储农场空气质量数据的数据库服务器302，数据库服务器302连接有用于对农场空气质量数据进行处理的应用服务器303，应用服务器303从数据库服务器302上获取数据，并将获取数据转化为图形化的农场空气质量信息。
应用服务器303通过因特网连接用于显示农场空气质量信息的客户端4，客户端4安装在PC终端或移动终端内，用户可通过客户端304登陆到应用服务器303上，通过浏览网页的形式查看农场空气质量的实时监测信息。
本发明整体结构分为数据采集前端、中间管理服务器、监测中心服务器和客户端四个部分，感知单元由多个采集节点构成Zigbee网络，获取农场空气中二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、臭氧和PM2.5等多个空气质量数据，并通过Zigbee协调节点准确及时的传输到中间管理服务器，中间管理服务器将接收到的农场空气质量数据传送到监控中心服务器，同时，对各采集节点工作状态进行控制，有效的缓解了网络拥塞，保证了数据的实时性、稳定性和有效性，在保证通讯网络畅通且能获得有效数量的同时均衡各传感器节点能量消耗，对延长无线传感器网络寿命有显著的效果；监测中心服务器对数据进行集中处理与存储，用户通过PC终端或移动终端登录客户端查看农场内各节点空气质量的实时监测信息，使农场管理人员可以随时随地获取农场内空气污染情况，实现对农场空气质量的快速、实时、网络化的连续监测，管理人员可根据农场内空气污染程度，及时采取有效的处理措施，降低空气污染等级，保证农场内种植和养殖的农产品绿色无污染，打造优质、无毒、无激素的纯绿色上乘品质产品，真正做到农产品天然、无污染。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于无线传感网络的农场空气质量监测系统，其特征在于：包括
数据采集前端(1)，包括Zigbee协调器节点和若干组采集节点组成的Zigbee网络，用于采集农场空气质量数据；
中间管理服务器(2)，起起承转合作用，将接收到的农场空气质量数据进行输出，同时对数据采集前端(1)的各采集节点工作状态进行控制；
监测中心服务器(3)，用于接收中间管理服务器(2)输出数据，并对数据进行集中处理和存储；
客户端(4)，用于访问监测中心服务器(3)内的数据并将接收到的数据进行展示；
所述的数据采集前端(1)与中间管理服务器(2)通信连接，所述的中间管理服务器(2)与监测中心服务器(3)通信连接，所述的监测中心服务器(3)与客户端(4)通信连接；
所述的中间管理服务器(2)包括
数据传输模块(201)，用于接收来自数据采集终端(1)传送的数据，并对数据进行格式转换后发送到监测中心服务(3)；
命令控制模块(202)，用于接收来自数据采集终端(1)传送的数据，并根据预先设置的阀值对接收数据进行判断，若数据超出阀值，则向对应采集节点发送重新采集的命令；
状态控制模块(203)，根据预先设置的睡眠调度机制控制采集节点的工作状态；
其中，所述的睡眠调度机制如下：
将采集节点工作状态分为睡眠状态、半睡眠状态和活动状态；
睡眠状态：处于睡眠状态的采集节点只进行数据采集，而不进行数据传输，经过设定时间t后，自动转入半睡眠状态；
半睡眠状态：处于半睡眠状态的采集节点基于预设的调度算法选举出最具代表性的采集节点，该代表采集节点进入活动状态，否则回到睡眠状态；
活动状态：处于活动状态的采集节点进行数据采集，并将采集到的数据传送至Zigbee协调节点，工作设定时间t后，自动转入睡眠状态，并且不参与下一轮选举；
处于半睡眠状态的各个采集节点采集空气质量数据，并传送到中间管理服务器(2)，中间管理服务器(2)将空气质量数据转化为API指数，并根据污染标准指数等级表判断对应采集节点的污染等级，其通信半径内的区域都属于该等级域块，若相邻采集节点处于同一等级，则其所在的区域将可以合并为同一的等级域块，针对同一等级的域块，选择一代表采集节点进入活动状态，并将采集到的数据作为该区域污染浓度的采样值发送至Zigbee协调节点，其他采集节点全部回到睡眠状态。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的农场空气质量监测系统，其特征在于：所述的采集节点包括用于采集空气中有害气体浓度数据的气体传感器(101)、用于对采集数据进行处理的微处理器(102)、用于组建Zigbee网络和传输数据的传输模块(103)以及用于给采集节点供电的电源模块(104)。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的农场空气质量监测系统，其特征在于：所述的监测中心服务器(3)包括用于存储农场空气质量数据的数据库服务器(301)，数据库服务器(301)连接有用于对农场空气质量数据进行处理的应用服务器(302)。
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