CN107835504A - 一种农田生态环境信息智能采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农田生态环境信息智能采集系统，包括农田监测无线传感器网络、信息分析处理模块和用户终端，所述的农田监测无线传感器网络、用户终端分别与信息分析处理模块通信连接；所述的农田监测无线传感器网络用于采集农田生态环境信息，并将农田生态环境信息发送至信息分析处理模块；所述的信息分析处理模块用于存储农田生态环境信息和其他农田信息，并用于对农田生态环境信息进行分析处理。本发明实现了大面积农田生态环境的无线监测。

Description

一种农田生态环境信息智能采集系统

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种农田生态环境信息智能采集系统。

背景技术

相关技术中，农田生态环境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，本发明提供一种农田生态环境信息智能采集系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种农田生态环境信息智能采集系统，包括农田监测无线传感器网络、信息分析处理模块和用户终端，所述的农田监测无线传感器网络、用户终端分别与信息分析处理模块通信连接；所述的农田监测无线传感器网络用于采集农田生态环境信息，并将农田生态环境信息发送至信息分析处理模块；所述的信息分析处理模块用于存储农田生态环境信息和其他农田信息，并用于对农田生态环境信息进行分析处理。

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信息，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是本发明信息分析处理模块的连接框图。

附图标记：

农田监测无线传感器网络1、信息分析处理模块2、用户终端3、信息存储单元10、信息分析单元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农田生态环境信息智能采集系统，包括农田监测无线传感器网络1、信息分析处理模块2和用户终端3，所述的农田监测无线传感器网络1、用户终端3分别与信息分析处理模块2通信连接；所述的农田监测无线传感器网络1用于采集农田生态环境信息，并将农田生态环境信息发送至信息分析处理模块2；所述的信息分析处理模块2用于存储农田生态环境信息和其他农田信息，并用于对农田生态环境信息进行分析处理。

在一个实施例中，所述的信息分析处理模块2包括信息存储单元10、信息分析单元20、通信单元30；所述的信息存储单元10用于存储农田生态环境信息和其他农田信息；所述的信息分析单元20用于检测农田生态环境信息是否超出设定的正常阈值范围，输出异常的农田生态环境信息；所述通信单元30用于实现信息分析处理模块2与用户终端3、农田监测无线传感器网络1之间的信息通信。

进一步地，所述的信息分析处理模块还包括报警单元40，报警单元40与信息分析单元20、通信单元30连接，用于在农田生态环境信息异常时向用户终端发送报警信号。

其中，所述农田生态环境信息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信息获取，并且能够实时的查询农田生态环境信息信息，成本低，便于普遍推广。

在一个实施例中，所述的农田监测无线传感器网络1包括多个用于进行农田生态环境信息采集的农田生态环境监测节点和用于收集农田生态环境信息的基站，所述基站对收集的农田生态环境信息进行汇集后发送至信息分析处理模块2。

在一个实施例中，所述的农田生态环境监测节点通过节点竞选分为农田生态环境信息采集节点和簇首节点，其中农田生态环境信息采集节点用于采集农田生态环境信息，簇首节点用于收集簇内农田生态环境信息采集节点发送的农田生态环境信息。

本发明上述实施例能够实时获取农田生态环境信息，并对农田生态环境信息进行分析处理，灵活性良好、扩展功能较高、智能化程度良好。

在一个实施例中，所述的农田生态环境监测节点通过节点竞选分为农田生态环境信息采集节点和簇首节点，具体包括：

(1)设q_max为农田生态环境监测节点通信半径中的最大通信半径，定义农田生态环境监测节点的邻居节点为在农田生态环境监测节点的通信范围内的其他农田生态环境监测节点，将农田监测无线传感器网络1的监测区域划分为多个相邻的边长为的正六边形虚拟单元区域，初始化时，各农田生态环境监测节点初始化为发现状态，并与邻居节点交换节点信息，包括节点编号、位置坐标、节点状态；

(2)进行第一次簇首节点选举，各农田生态环境监测节点随机生成一个0到1秒之间的随机数δ，并按照下列公式计算自身在下一轮当选为簇首节点的概率值，秒后将计算出的概率值向邻居节点广播：

式中，H_i表示农田生态环境监测节点i在下一轮当选为簇首节点的概率值，P_i、P_i0分别为农田生态环境监测节点i的当前剩余能量、初始能量，R_ic表示农田生态环境监测节点i与所属正六边形虚拟单元区域的中心之间的距离，q_i表示农田生态环境监测节点i的通信半径，w₁、w₂、w₃为设定的权重系数，且w₁+w₂+w₃＝1；

(3)若农田生态环境监测节点在超过秒后仍未收到同一正六边形虚拟单元区域其他农田生态环境监测节点广播的在下一轮当选为簇首节点的概率值，则成功当选为所属正六边形虚拟单元区域的簇首节点，并将自身的节点状态转至活跃状态；

(4)未成功当选为簇首节点的其他农田生态环境监测节点作为农田生态环境信息采集节点，以目前同一正六边形虚拟单元区域的簇首节点的位置作为中心，计算自身在下一轮当选为簇首节点的概率值，然后按照设定的休眠时间T_α进入休眠状态；

(5)每个簇首节点按照设定的活跃时间T_β维持活跃状态，在T_β超时前定期广播自身在下一轮当选为簇首节点的概率值，T_β超时后返回发现状态，进行新的一轮簇首节点的选举。

本实施例将农田监测无线传感器网络1的监测区域划分为多个正六边形虚拟单元区域，各区域农田生态环境监测节点形成簇，且将农田生态环境监测节点在正六边形虚拟单元区域内的实际分布情况、能量的变化以及通信范围作为选举簇首节点的重要参数，使得选举出的簇首节点与簇内的其他农田生态环境监测节点之间的距离较短，能够较大限度地节省通信能量，并且选举出的簇首节点有足够的剩余能量承担融合农田生态环境信息的任务，从而避免选取的簇首节点过早死亡。

在一个实施例中，簇首节点收集各农田生态环境监测节点发送的农田生态环境信息，在经过设定时间段的农田生态环境信息收集后，确定相似节点集，后续对相似节点集中农田生态环境监测节点发送的农田生态环境信息进行融合处理成一个农田生态环境信息报文，具体包括：

(1)簇首节点对收集的各农田生态环境监测节点的农田生态环境信息进行相似信息判断，设簇首节点收集的各农田生态环境监测节点在t时刻感知到的农田生态环境信息为S(t)＝{s₁(t),s₂(t),…,s_γ(t)}，其中s₁(t),s₂(t),…,s_γ(t)表示簇首节点收集的第1,2,…,γ个农田生态环境监测节点在t时刻感知到的农田生态环境信息，若存在任意两农田生态环境信息满足下列公式，判定两农田生态环境信息为相似信息，若农田生态环境监测节点在设定时间段T_ρ内采集的农田生态环境信息为相似信息的次数超过|0.8T_ρ|，则该两农田生态环境监测节点互为相似信息节点：

式中，τ为设定的相似度门限值；

(2)簇首节点根据相似信息的判断结果确定相似节点集，相似节点集中的任意两个农田生态环境监测节点互为相似信息节点，簇首节点后续对相似节点集中农田生态环境监测节点发送的农田生态环境信息进行融合处理成一个农田生态环境信息报文。

本实施例中，簇首节点收集各农田生态环境监测节点发送的农田生态环境信息后，利用信息的相似性，对于包含于同一个相似节点集中的农田生态环境监测节点进行农田生态环境信息融合处理，只生成一个农田生态环境信息报文，能够减少簇首节点向基站或其他簇首节点发送的农田生态环境信息量，从而降低农田生态环境信息传输的能量消耗，延长农田监测无线传感器网络1的生命周期。

在一个实施例中，当簇首节点与基站为多跳距离时，该簇首节点在距离基站更近的簇首节点中选择一个作为辅助转发节点，通过辅助转发节点将农田生态环境信息转发至基站，具体包括：

(1)将位于簇首节点通信范围内且距离基站更近的其他簇首节点视为备选辅助转发节点；

(2)设簇首节点的位置坐标为(s_a,g_a)，其第j个备选辅助转发节点的位置坐标为(s_j,g_j)，基站的位置坐标为(s_o,g_o)，计算备选辅助转发节点的转发能力值：

式中，E_j表示第j个备选辅助转发节点的转发能力值，P_j、P_j0分别为第j个备选辅助转发节点的当前剩余能量、初始能量，m_j表示到目前为止已将第j个备选辅助转发节点作为辅助转发节点的簇首节点数目，m_T为设定的辅助节点数门限值，f(m_j,m_T)为设定的取值函数，当m_j≤m_T时，f(m_j,m_T)＝1，当m_j>m_T时，f(m_j,m_T)＝0；λ₁、λ₂为设定的权重系数，且0<λ₁,λ₂<1；

(3)簇首节点选择转发能力值最大的备选辅助转发节点最为最终的辅助转发节点。

本实施例设定的簇首节点的辅助转发节点选举机制，该机制从能量维持和距离代价两个角度出发，定义了转发能力值的计算公式，并从中选择转发能力值最大的备选辅助转发节点最为最终的辅助转发节点，有利于保障簇间农田生态环境信息传输的可靠性，相对于直接选择距离基站最近的备选辅助转发节点的方式，在节省能耗的同时能够避免与基站较近的簇首节点承担过多的农田生态环境信息转发任务，从而有利于平衡各簇首节点的能耗。

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)

1.一种农田生态环境信息智能采集系统，其特征是，包括农田监测无线传感器网络、信息分析处理模块和用户终端，所述的农田监测无线传感器网络、用户终端分别与信息分析处理模块通信连接；所述的农田监测无线传感器网络用于采集农田生态环境信息，并将农田生态环境信息发送至信息分析处理模块；所述的信息分析处理模块用于存储农田生态环境信息和其他农田信息，并用于对农田生态环境信息进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种农田生态环境信息智能采集系统，其特征是，所述的信息分析处理模块包括信息存储单元、信息分析单元和通信单元；所述的信息存储单元用于存储农田生态环境信息和其他农田信息；所述的信息分析单元用于检测农田生态环境信息是否超出设定的正常阈值范围，输出异常的农田生态环境信息；所述通信单元用于实现信息分析处理模块与用户终端、农田监测无线传感器网络之间的信息通信。

3.根据权利要求2所述的一种农田生态环境信息智能采集系统，其特征是，所述的信息分析处理模块还包括报警单元，用于在农田生态环境信息异常时向用户终端发送报警信号。

4.根据权利要求1所述的一种农田生态环境信息智能采集系统，其特征是，所述的农田监测无线传感器网络包括多个用于进行农田生态环境信息采集的农田生态环境监测节点和用于收集农田生态环境信息的基站，所述基站对收集的农田生态环境信息进行汇集后发送至信息分析处理模块。

5.根据权利要求4所述的一种农田生态环境信息智能采集系统，其特征是，所述的农田生态环境监测节点通过节点竞选分为农田生态环境信息采集节点和簇首节点，其中农田生态环境信息采集节点用于采集农田生态环境信息，簇首节点用于收集簇内农田生态环境信息采集节点发送的农田生态环境信息。

6.根据权利要求5所述的一种农田生态环境信息智能采集系统，其特征是，簇首节点收集各农田生态环境监测节点发送的农田生态环境信息，在经过设定时间段的农田生态环境信息收集后，确定相似节点集，后续对相似节点集中农田生态环境监测节点发送的农田生态环境信息进行融合处理成一个农田生态环境信息报文，具体包括：

(1)簇首节点对收集的各农田生态环境监测节点的农田生态环境信息进行相似信息判断，设簇首节点收集的各农田生态环境监测节点在t时刻感知到的农田生态环境信息为S(t)＝{s₁(t),s₂(t),…,s_γ(t)}，其中s₁(t),s₂(t),…,s_γ(t)表示簇首节点收集的第1,2,…,γ个农田生态环境监测节点在t时刻感知到的农田生态环境信息，若存在任意两农田生态环境信息满足下列公式，判定两农田生态环境信息为相似信息，若农田生态环境监测节点在设定时间段T_ρ内采集的农田生态环境信息为相似信息的次数超过|0.8T_ρ|，则该两农田生态环境监测节点互为相似信息节点：

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式中，τ为设定的相似度门限值；

(2)簇首节点根据相似信息的判断结果确定相似节点集，相似节点集中的任意两个农田生态环境监测节点互为相似信息节点，簇首节点后续对相似节点集中农田生态环境监测节点发送的农田生态环境信息进行融合处理成一个农田生态环境信息报文。