CN107786957B - 一种用于精细农业的农田生态环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于精细农业的农田生态环境监测系统，包括农田生态环境监测无线传感器网络、数据处理中心和用户终端，所述的农田生态环境监测无线传感器网络、用户终端分别与数据处理中心通信连接；所述的农田生态环境监测无线传感器网络用于采集农田生态环境参数，并将农田生态环境参数发送至数据处理中心；所述的数据处理中心用于存储农田生态环境参数和其他农田信息，并用于对农田生态环境参数进行分析处理。本发明实现了大面积农田生态环境的无线监测。

Description

一种用于精细农业的农田生态环境监测系统

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种用于精细农业的农田生态环境监测系统。

背景技术

相关技术中，农田生态环境参数信息的测量手段主要是地面实测为主。地面测量实验是研究这些参数的重要组成部分，取样数目不足会造成样点数目过少而不具代表性，取样数目过多又会造成人力物力浪费。目前地面实测的主要方法有：直接测量法与间接测量法两类。

(1)直接测量

包括计算纸法、纸重法、干重法、求积仪法、长宽系数法、叶面积仪法。通过按不同植物种类“收割”植被样区内的叶量，再根据比叶面积与叶生物量推算样区的叶面积指数。直接测量法虽准确，但耗时费力操作复杂，只适用于小型或少量样区及矮小植被。

(2)间接测量

借助各种光学测定仪来测量植物冠层间隙度并通过相应公式得到最终的植物冠层叶面积指数。与直接测量法相比，间接法更易行且可用于大范围及多种植被生态系统的测量，但由于它受到太阳光照及角度的制约，因而无法达到直接测量的精准度。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种用于精细农业的农田生态环境监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种用于精细农业的农田生态环境监测系统，包括农田生态环境监测无线传感器网络、数据处理中心和用户终端，所述的农田生态环境监测无线传感器网络、用户终端分别与数据处理中心通信连接；所述的农田生态环境监测无线传感器网络用于采集农田生态环境参数，并将农田生态环境参数发送至数据处理中心；所述的数据处理中心用于存储农田生态环境参数和其他农田信息，并用于对农田生态环境参数进行分析处理。

本发明的有益效果为：实现了大面积农田生态环境的无线监测，并且能够实时的查询农田生态环境信息数据，成本低，便于普遍推广。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明的结构框图；

图2是本发明数据处理中心的连接框图。

附图标记：

农田生态环境监测无线传感器网络1、数据处理中心2、用户终端3、数据存储单元10、数据分析单元20、通信单元30、报警单元40。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1、图2，本实施例提供的一种用于精细农业的农田生态环境监测系统，包括农田生态环境监测无线传感器网络1、数据处理中心2和用户终端3，所述的农田生态环境监测无线传感器网络1、用户终端3分别与数据处理中心2通信连接；所述的农田生态环境监测无线传感器网络1用于采集农田生态环境参数，并将农田生态环境参数发送至数据处理中心2；所述的数据处理中心2用于存储农田生态环境参数和其他农田信息，并用于对农田生态环境参数进行分析处理。

优选地，所述的数据处理中心2包括数据存储单元10、数据分析单元20、通信单元30；所述的数据存储单元10用于存储农田生态环境参数和其他农田信息；所述的数据分析单元20用于将农田生态环境参数与正常设定值进行比较，输出异常的农田生态环境参数；所述通信单元30用于实现数据处理中心2与用户终端3、农田生态环境监测无线传感器网络1之间的数据通信。

进一步地，所述的数据处理中心还包括报警单元40，报警单元40与数据分析单元20、通信单元30连接，用于在农田生态环境参数异常时向用户终端发送报警信号。

优选地，所述农田生态环境参数包括果园的空气温湿度、土壤温度、土壤湿度、风速、二氧化碳浓度、光照强度。所述的其他农田信息包括农田面积、农作物数目、农作物类型、农作物生长状况信息。

本发明上述实施例实现了大面积农田生态环境信息数据获取，并且能够实时的查询农田生态环境信息数据，成本低，便于普遍推广。

优选地，所述的农田生态环境监测无线传感器网络1包括多个用于进行农田生态环境参数采集的农田生态环境参数采集节点、用于收集簇内农田生态环境参数采集节点发送的农田生态环境参数的簇头节点，还包括基站，所述基站对簇头节点发送的农田生态环境参数进行融合后发送至数据处理中心。

在一个实施例中，初始化时，所述的农田生态环境监测无线传感器网络1进行簇头节点竞选，具体包括：

(1)农田生态环境参数采集节点在0到1之间随机选择一个数，如果随机选择的数小于对应设定的阈值，则该农田生态环境参数采集节点当选为临时簇头节点；

其中农田生态环境参数采集节点a对应设定的阈值Φ(a)按照下列公式确定：

式中，Q_a、Q_a0分别为农田生态环境参数采集节点a的当前剩余能量、初始能量，K表示无线传感器网络中部署的农田生态环境参数采集节点个数，N表示当前确定临时簇头节点的轮数，η_a表示农田生态环境参数采集节点a在最近的轮内担任临时簇头节点的轮数，y(η_a)为设定的判断函数，若η_a＝0，y(η_a)＝1，若η_a>0，y(η_a)＝0；

(2)成功当选为临时簇头节点的农田生态环境参数采集节点进一步竞选为簇头节点，若两个临时簇头节点的间距小于其中S为监测区域面积，M为设定的最优簇头节点数目，则该两个临时簇头节点互为邻居临时簇头节点，若一个临时簇头节点的剩余能量大于其所有的邻居临时簇头节点，则自动成为真正的簇头节点，否则放弃簇头节点竞选。

本实施例中，农田生态环境监测无线传感器网络1进行簇头节点竞选时，农田生态环境参数采集节点通过阈值筛选的方式选出临时簇头节点，并进一步在临时簇头节点中选择真正的簇头节点，避免了相邻的农田生态环境参数采集节点同时被选为簇头节点，考虑了农田生态环境参数采集节点担任临时簇头节点的轮数、当前剩余能量以及农田生态环境参数采集节点的邻居临时簇头节点数目，可更好地均衡农田生态环境参数采集节点间的能耗，延长农田生态环境监测无线传感器网络1的生命周期。

在一个实施例中，设能量等级权重为1.2的簇头节点为超级簇头节点，其余为普通簇头节点，若超级簇头节点担任簇头节点的轮数超过设定的轮数阈值时，进行下一轮的簇头节点竞选，且该超级簇头节点不参与下一轮的簇头节点竞选，设定超级簇头节点w的轮数阈值U_w为：

式中，r表示普通簇头节点个数，Q_j0、Q_j分别表示第j个普通簇头节点的初始能量、当前剩余能量，Q_w0、Q_w分别表示第w个超级簇头节点的初始能量、当前剩余能量。

本实施例设定了超级簇头节点担任簇头节点的轮数阈值计算公式，当超级簇头节点担任簇头节点的轮数达到设定的轮数阈值后，停止担任簇头节点，能够避免能量较多的簇头节点持续负担过重，从而减轻无线传感器网络的能量空洞问题，延长农田生态环境监测无线传感器网络1的网络生命周期。

在一个实施例中，对于剩余的农田生态环境参数采集节点，若农田生态环境参数采集节点与簇头节点之间的距离小于该簇头节点的簇半径，将该簇头节点作为农田生态环境参数采集节点的备选簇头节点，农田生态环境参数采集节点从备选簇头节点选择节点度最小的作为自己的簇头节点；

其中，簇头节点按照下列公式设定簇半径：

式中，D_i表示簇头节点i的簇半径，h为确定的簇头节点的个数，E_i表示簇头节点i的能量等级权重，e_i表示簇头节点i的距离等级权重，S为监测区域面积，M为设定的最优簇头节点数目；当时，E_i＝0.8，当时，E_i＝1，当时，E_i＝1.2，其中Q_i为簇头节点i的当前剩余能量；当时，e_i＝1.2，当时，e_i＝1，当时，e_i＝0.8，d_i为簇头节点i与基站之间的距离。

本实施例进一步设置了分簇路由策略，其中设定了簇半径的计算公式，使得能量等级权重较大或者距离基站较远的簇头节点对应的簇半径较大，农田生态环境参数采集节点根据簇半径选择合适的簇头节点，从而能量等级权重较大的簇头节点可以担负更多的农田生态环境参数传输任务，并且距离基站较近的簇头节点可以节省更多能量用于转发簇间的农田生态环境参数，有效延长无线传感器网络的生命周期。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种用于精细农业的农田生态环境监测系统，其特征是，包括农田生态环境监测无线传感器网络、数据处理中心和用户终端，所述的农田生态环境监测无线传感器网络、用户终端分别与数据处理中心通信连接；所述的农田生态环境监测无线传感器网络用于采集农田生态环境参数，并将农田生态环境参数发送至数据处理中心；所述的数据处理中心用于存储农田生态环境参数和其他农田信息，并用于对农田生态环境参数进行分析处理；所述的农田生态环境监测无线传感器网络包括多个用于进行农田生态环境参数采集的农田生态环境参数采集节点、用于收集簇内农田生态环境参数采集节点发送的农田生态环境参数的簇头节点，还包括基站，所述基站对簇头节点发送的农田生态环境参数进行融合后发送至数据处理中心；若农田生态环境参数采集节点与簇头节点之间的距离小于该簇头节点的簇半径，将该簇头节点作为农田生态环境参数采集节点的备选簇头节点，农田生态环境参数采集节点从备选簇头节点选择节点度最小的作为自己的簇头节点；

其中，簇头节点按照下列公式设定簇半径：

式中，D_i表示簇头节点i的簇半径，h为确定的簇头节点的个数，E_i表示簇头节点i的能量等级权重，e_i表示簇头节点i的距离等级权重，S为监测区域面积，M为设定的最优簇头节点数目；当时，E_i＝0.8，当时，E_i＝1，当时，E_i＝1.2，其中Q_i为簇头节点i的当前剩余能量；当时，e_i＝1.2，当时，e_i＝1，当时，e_i＝0.8，d_i为簇头节点i与基站之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种用于精细农业的农田生态环境监测系统，其特征是，所述的数据处理中心包括数据存储单元、数据分析单元和通信单元；所述的数据存储单元用于存储农田生态环境参数和其他农田信息；所述的数据分析单元用于将农田生态环境参数与正常设定值进行比较，输出异常的农田生态环境参数；所述通信单元用于实现数据处理中心与用户终端、农田生态环境监测无线传感器网络之间的数据通信。

3.根据权利要求2所述的一种用于精细农业的农田生态环境监测系统，其特征是，所述的数据处理中心还包括报警单元，用于在农田生态环境参数异常时向用户终端发送报警信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于精细农业的农田生态环境监测系统，其特征是，初始化时，所述的农田生态环境监测无线传感器网络1进行簇头节点竞选，具体包括：

(1)农田生态环境参数采集节点在0到1之间随机选择一个数，如果随机选择的数小于对应设定的阈值，则该农田生态环境参数采集节点当选为临时簇头节点；

其中农田生态环境参数采集节点a对应设定的阈值Φ(a)按照下列公式确定：

式中，Q_a、Q_a0分别为农田生态环境参数采集节点a的当前剩余能量、初始能量，K表示无线传感器网络中部署的农田生态环境参数采集节点个数，N表示当前确定临时簇头节点的轮数，η_a表示农田生态环境参数采集节点a在最近的轮内担任临时簇头节点的轮数，y(η_a)为设定的判断函数，若η_a＝0，y(η_a)＝1，若η_a>0，y(η_a)＝0；

(2)成功当选为临时簇头节点的农田生态环境参数采集节点进一步竞选为簇头节点，若两个临时簇头节点的间距小于其中S为监测区域面积，M为设定的最优簇头节点数目，则该两个临时簇头节点互为邻居临时簇头节点，若一个临时簇头节点的剩余能量大于其所有的邻居临时簇头节点，则自动成为真正的簇头节点，否则放弃簇头节点竞选。

5.根据权利要求4所述的一种用于精细农业的农田生态环境监测系统，其特征是，设能量等级权重为1.2的簇头节点为超级簇头节点，其余为普通簇头节点，若超级簇头节点担任簇头节点的轮数超过设定的轮数阈值时，进行下一轮的簇头节点竞选，且该超级簇头节点不参与下一轮的簇头节点竞选，设定超级簇头节点w的轮数阈值U_w为：

式中，r表示普通簇头节点个数，Q_j0、Q_j分别表示第j个普通簇头节点的初始能量、当前剩余能量，Q_w0、Q_w分别表示第w个超级簇头节点的初始能量、当前剩余能量。