CN107801169A - 一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统 - Google Patents

一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统，包括：无线传感器网络，用于对农田污染进行监测，获取农田参数指标数据并进行处理转发；农田污染监测模块，用于与无线传感器网络双向通信，并且能够接收并分析无线传感器网络发送的农田参数指标数据，在农田参数指标数据超过设定的正常门限时发出报警信号；远程控制终端，用于远程访问、远程监控农田污染监测模块并接收农田污染监测模块发来的报警信号；智能终端，用于通过手机网络接收各农田污染监测模块发来的报警信号。本发明采用无线传感器网络技术实现了对农田污染的智能监测。

Description

一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统
技术领域
本发明涉及农业监测技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统。
背景技术
在农业方面，农业是国民经济的基础，农业的可持续发展将直接影响整个社会经济的发展。相关技术中，农产品与农田环境的安全形势正日趋严峻。随着工业化、现代化和社会经济的快速发展，人口的急剧增长，以及人类对资源不合理利用，工业“三废”及生活废弃物的排放引发的环境污染，化肥、农药、生长激素、农用塑料薄膜等化学物质的大量使用，规模化养殖业的发展带来的禽畜废弃物增加，工业废弃污染物的农业利用及农田废弃物不合理处置等，已造成了农业系统中水体-土壤-生物-大气的直接、复合、交叉与循环污染(即有关专家提出的“农业立体污染”)，极大地影响了农业生态系统的稳定及其功能的发挥，从而严重威胁农产品的安全生产。
因此，根据无线传感器网络在农业上广阔的应用前景，建立基于无线传感器网络的农田污染监控技术，构建农田系统立体污染防治信息技术发展体系，提高对农田系统立体污染灾情的监测与预报能力，非常必要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统，包括：
无线传感器网络，用于对农田污染进行监测，获取农田参数指标数据并进行处理转发；
农田污染监测模块，用于与无线传感器网络双向通信，并且能够接收并分析无线传感器网络发送的农田参数指标数据，在农田参数指标数据超过设定的正常门限时发出报警信号；
远程控制终端，用于远程访问、远程监控农田污染监测模块并接收农田污染监测模块发来的报警信号；
智能终端，用于通过手机网络接收各农田污染监测模块发来的报警信号。
其中，农田参数指标数据包括农区空气二氧化氮、土壤总锌、总镍、全盐、总氮、总磷、氟化物在内的化学物质含量，以及灌溉水大肠菌群数、总锌、总硒、氮、磷、氟化物含量。
优选地，所述远程控制终端为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问农田污染监测模块并接收报警信号。
优选地，所述农田污染监测模块包括用于与无线传感器网络双向通信的通信单元、农田参数指标数据存储单元和农田参数指标数据管理分析单元。
本发明的有益效果为：采用无线传感器网络技术获取农田参数指标数据并加以分析处理，能够准确、及时地反映农田污染状况并报警，可扩展性好，适合构建大规模的监测系统，适合推广应用。
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本发明一个实施例的结构连接框图；
图2是本发明一个实施例的远程指挥维修中心的结构连接框图。
附图标记：
无线传感器网络1、农田污染监测模块2、远程控制终端3、智能终端4、通信单元10、农田参数指标数据存储单元20、农田参数指标数据管理分析单元30。
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，本实施例提供了一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统，包括：
无线传感器网络1，用于对农田污染进行监测，获取农田参数指标数据并进行处理转发；
农田污染监测模块2，用于与无线传感器网络1双向通信，并且能够接收并分析无线传感器网络1发送的农田参数指标数据，在农田参数指标数据超过设定的正常门限时发出报警信号；
远程控制终端3，用于远程访问、远程监控农田污染监测模块2并接收农田污染监测模块2发来的报警信号；
智能终端4，用于通过手机网络接收各农田污染监测模块2发来的报警信号。
其中，农田参数指标数据包括农区空气二氧化氮、土壤总锌、总镍、全盐、总氮、总磷、氟化物在内的化学物质含量，以及灌溉水大肠菌群数、总锌、总硒、氮、磷、氟化物含量。
在一个实施例中，所述远程控制终端3为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问农田污染监测模块2并接收报警信号。
在一个实施例中，如图2所示，所述农田污染监测模块2包括用于与无线传感器网络1双向通信的通信单元10、农田参数指标数据存储单元20和农田参数指标数据管理分析单元30。
本发明上述实施例采用无线传感器网络技术获取农田参数指标数据并加以分析处理，能够准确、及时地反映农田污染状况并报警，可扩展性好，适合构建大规模的监测系统，适合推广应用。
在一个实施例中，所述的无线传感器网络1包括设定于农田污染监测区域外的基站节点以及以设定的密度λ泊松分布部署于设定的农田污染监测区域内的多个传感器节点，网络初始化时，将农田污染监测区域划分为多个农田污染监测子区域，属于同一个农田污染监测子区域内的传感器节点通过簇头竞选确定簇头节点，剩余的传感器节点作为该簇头节点所在簇内的成员监测节点，其中簇头节点用于接收并处理所在簇内各成员监测节点采集的农田参数指标数据，并将处理后的农田参数指标数据传输到下一跳节点或基站节点。
在一个实施例中，具有相同区域属性的传感器节点属于同一个农田污染监测子区域，每个传感器节点在簇头竞选前确定自身的区域属性，具体包括：
(1)定义基站节点为Ns，任意传感器节点Ni的坐标为(xi,yi)，i＝1,…,n，n为传感器节点个数，传感器节点N0∈Ni，且x0＝maxi＝1,…,nxi，连接Ns与N0，Ns与Ni，定义该两条直线的夹角为Ni与N0的夹角，每个传感器节点按照下列公式计算自身的区域属性值：
式中，表示传感器节点Ni的区域属性值，θi0为Ni与N0的夹角，εfs为传感器节点的通信模型采用自由空间模型时的功率放大损耗，εmp为传感器节点的通信模型采用多路径衰减模型时的功率放大损耗，int[·]表示取整运算，mod为求余函数；
(2)区域属性值相同的传感器节点属于同一个农田污染监测子区域。
本实施例通过计算传感器节点的区域属性值，将区域属性值相同的传感器节点分配到同一个农田污染监测子区域，从而控制了无线传感器网络的农田污染监测区域划分规模，由于属于同一个农田污染监测子区域内的传感器节点通过簇头竞选确定簇头节点，通过农田污染监测区域的划分控制，能够使得形成的簇分布均匀、合理，相对于随机选取簇头节点的方式，能够避免因簇的分布不合理造成的网络损耗，保障农田参数指标数据的收集。
在一个实施例中，所述的属于同一个农田污染监测子区域内的传感器节点通过簇头竞选确定簇头节点，具体包括：
(1)传感器节点在其通信范围内向其他传感器节点广播自身的位置信息，所有收到该信息的传感器节点被视为该传感器节点的邻居节点，且在收到该信息后更新自身的邻居信息列表；
(2)设定能量阈值ET，矩形农田污染监测子区域内所有剩余能量大于能量阈值ET的传感器节点选举成为候选节点，每个候选节点按照下列公式计算自身的簇头竞争权值：
式中，表示候选节点Nj的簇头竞争权值，Ej为候选节点Nj的当前剩余能量，Tx为设定的传感器节点发送一个农田参数指标数据包的能量开销，Rx设定的传感器节点接收一个农田参数指标数据包的能量开销，Mj为候选节点Nj所属农田污染监测子区域具有的传感器节点个数，Rjmax为候选节点Nj的最大通信半径，d(Nj,Ns)为候选节点Nj与基站节点Ns之间的距离，d(Nj,NjM)为候选节点Nj与其第k个邻居节点之间的距离，mj为候选节点Nj的邻居信息列表包含的邻居节点个数，μ1、μ2为设定的权重系数且满足1＞μ1＞μ2＞0；
(3)簇头竞争权值最大的候选节点竞选为簇头节点。
本实施例基于能量消耗和距离的综合考虑，提出了簇头节点的路由竞选机制，该机制使得选举出的簇头节点在满足能量消耗要求的同时能够与成员监测节点之间的距离较近，有利于降低传感器节点间的通信能耗，且使得选举出的簇头节点在保证能量消耗要求的前提下尽量靠近基站节点，有利于降低农田参数指标数据的转发通信成本，该路由竞选机制在整体上能够节省无线传感器网络的通信成本，保障无线传感器网络可靠运行。
在一个实施例中，设簇头节点Nh的最大通信半径为Rh-max，与基站节点的距离为d(Nh,Ns)，若0.8Rh-max≥d(Nh,Ns)，则该簇头节点与基站节点直接通信，若0.8Rh-max＜d(Nh,Ns)，则该簇头节点通过多跳形式与基站节点通信，并从与基站节点距离更近的邻居簇头节点中选择一个最优的作为下一跳节点，具体为：簇头节点根据与基站节点距离由大到小的顺序对各邻居簇头节点进行排序，选择前两个邻居簇头节点，设为Nα、Nβ，若满足下列条件，Nh选择Nβ作为下一跳节点，否则选择Nα作为下一跳节点：
式中，Eα为Nα的当前剩余能量，Eβ为Nβ的当前剩余能量，Sα为Nα所在簇内包含的成员监测节点的数目，Sβ为Nβ所在簇内包含的成员监测节点的数目，Tx为设定的传感器节点发送一个农田参数指标数据包的能量开销，Rx设定的传感器节点接收一个农田参数指标数据包的能量开销，ΔT为设定的比例阈值。
本实施例设置了簇头节点的中继路由策略，该策略以中继节点的生命周期以及与基站节点的距离作为下一跳节点选择的权衡因素，优先选择距离基站最近的邻居簇头节点作为下一跳节点，只有在生命周期远远大于距离基站最近的邻居簇头节点时才选择距离基站次近的邻居簇头节点作为下一跳节点，因此能够降低农田参数指标数据传输的能耗，并且有益于提高传感器节点能量的利用率，均衡无线传感器网络的总能耗，从而为农田污染监测系统的稳定运行奠定良好的基础。
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 (6)

1.一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统，其特征是，包括：
无线传感器网络，用于对农田污染进行监测，获取农田参数指标数据并进行处理转发；
农田污染监测模块，用于与无线传感器网络双向通信，并且能够接收并分析无线传感器网络发送的农田参数指标数据，在农田参数指标数据超过设定的正常门限时发出报警信号；
远程控制终端，用于远程访问、远程监控农田污染监测模块并接收农田污染监测模块发来的报警信号；
智能终端，用于通过手机网络接收各农田污染监测模块发来的报警信号。
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污染监测系统，其特征是，所述远程控制终端为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问农田污染监测模块并接收报警信号。
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污染监测系统，其特征是，所述农田污染监测模块包括用于与无线传感器网络双向通信的通信单元、农田参数指标数据存储单元和农田参数指标数据管理分析单元。
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污染监测系统，其特征是，所述的无线传感器网络包括设定于农田污染监测区域外的基站节点以及以设定的密度λ泊松分布部署于设定的农田污染监测区域内的多个传感器节点，网络初始化时，将农田污染监测区域划分为多个农田污染监测子区域，属于同一个农田污染监测子区域内的传感器节点通过簇头竞选确定簇头节点，剩余的传感器节点作为该簇头节点所在簇内的成员监测节点，其中簇头节点用于接收并处理所在簇内各成员监测节点采集的农田参数指标数据，并将处理后的农田参数指标数据传输到下一跳节点或基站节点。
5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统，其特征是，具有相同区域属性的传感器节点属于同一个农田污染监测子区域，每个传感器节点在簇头竞选前确定自身的区域属性，具体包括：
(1)定义基站节点为Ns，任意传感器节点Ni的坐标为(xi,yi)，i＝1,…,n，n为传感器节点个数，传感器节点N0∈Ni，且x0＝maxi＝1,…,nxi，连接Ns与N0，Ns与Ni，定义该两条直线的夹角为Ni与N0的夹角，每个传感器节点按照下列公式计算自身的区域属性值：
<mrow> <msub> <mi>W</mi> <msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mo>=</mo> <mi>int</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mi>mod</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <munder> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mi>n</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mrow> <msqrt> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;&amp;epsiv;</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mn>4.7</mn> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </msqrt> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
式中，表示传感器节点Ni的区域属性值，θi0为Ni与N0的夹角，εfs为传感器节点的通信模型采用自由空间模型时的功率放大损耗，εmp为传感器节点的通信模型采用多路径衰减模型时的功率放大损耗，int[·]表示取整运算，mod为求余函数；
(2)区域属性值相同的传感器节点属于同一个农田污染监测子区域。
6.根据权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的农田污染监测系统，其特征是，设簇头节点Nh的最大通信半径为Rh-max，与基站节点的距离为d(Nh,Ns)，若0.8Rh-max≥d(Nh,Ns)，则该簇头节点与基站节点直接通信，若0.8Rh-max<d(Nh,Ns)，则该簇头节点通过多跳形式与基站节点通信，并从与基站节点距离更近的邻居簇头节点中选择一个最优的作为下一跳节点。
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