CN108093497A - 基于无线传感器网络的茶园气候监控方法及系统 - Google Patents

基于无线传感器网络的茶园气候监控方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于无线传感器网络的茶园气候监控方法及系统，其中方法包括：(1)在预构建无线传感器网络拓扑的区域内进行传感器节点的部署；(2)多个传感器节点采用基于链路强度的拓扑演化机制构建用于监测茶园气候并实时采集茶园气候监测数据的无线传感器网络拓扑结构；(3)根据无线传感器网络拓扑结构，传感器节点采集茶园气候监测数据并将采集的茶园气候监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的茶园气候监测数据传送到控制处理中心；(4)控制处理中心对基站发送的茶园气候监测数据进行存储、分析处理，构建并显示茶园气候监测数据曲线和/或拓扑图。本发明实现了对茶园气候的监控。

Description

基于无线传感器网络的茶园气候监控方法及系统
技术领域
本发明涉及茶叶监测领域，具体涉及基于无线传感器网络的茶园气候监控方法及系统。
背景技术
茶叶极易受到冻害、虫害等自然条件影响，而茶园的气候条件监控纯粹靠人力是不可能达到的。目前，还没有一套成熟的系统能监测茶园的生长气候环境。
发明内容
针对上述问题，本发明提供基于无线传感器网络的茶园气候监控方法及系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
本发明一方面提供了基于无线传感器网络的茶园气候监控方法，包括以下步骤：
在预构建无线传感器网络拓扑的区域内进行传感器节点的部署，将全部传感器节点随机部署在该区域内；
多个传感器节点采用基于链路强度的拓扑演化机制构建用于监测茶园气候并实时采集茶园气候监测数据的无线传感器网络拓扑结构；
根据无线传感器网络拓扑结构，传感器节点采集茶园气候监测数据并将采集的茶园气候监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的茶园气候监测数据传送到控制处理中心；
控制处理中心对基站发送的茶园气候监测数据进行存储、分析处理，构建并显示茶园气候监测数据曲线和/或拓扑图。
优选地，传感器节点设有温度、湿度和/或光照传感器。
优选地，所述的基于链路强度的拓扑演化机制具体包括：
(1)初始时刻，基站与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑；
(2)每过一个时间步长，向当前拓扑中加入一个距离当前拓扑中心距离最近的传感器节点；
(3)新加入的传感器节点确定当前拓扑中可与其建立连接的邻居节点，得到可建立连接的邻居节点集合，设该可建立连接的邻居节点集合中具有的邻居节点数为k，需要建立连接的邻居节点数为k0(k0>2)，当k0≥k时，直接选择可建立连接的邻居节点集合中的所有邻居节点建立连接，当k0<k时，计算与该可建立连接的邻居节点集合内每个邻居节点的连接概率，并基于连接概率从大到小的顺序在该可建立连接的邻居节点集合中选择前k0个邻居节点相连；
(4)继续执行(2)、(3)，直到N1个传感器节点加入拓扑，其中N0+N1＝N，其中N0为初始拓扑包含的传感器节点个数，N为部署的传感器节点的总个数。
本发明另一方面还提供了基于无线传感器网络的茶园气候监控系统，包括如上述基于无线传感器网络的茶园气候监控方法所述的传感器节点、基站和控制处理中心。
优选地，控制处理中心包括存储模块、分析处理模块和显示模块，存储模块用于对基站发送的茶园气候监测数据进行存储；分析处理模块用于对基站发送的茶园气候监测数据进行分析处理；显示模块用于显示茶园气候监测数据曲线和/或拓扑图。
本发明的有益效果为：基于无线传感器网络的茶园气候监控方法及系统进行茶园气候监控，能够帮助茶园管理者实时了解茶园的气候信息，方法简单便捷，帮助茶园管理者了解整个茶园气候情况、生长状态的参数分布，对紧急情况做出预警处理，大大降低了茶园管理的人力开销。
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茶园气候监控系统结构示意框图；
图2是本发明一个实施例的茶园气候监控方法的流程图。
附图标记：
传感器节点1、基站2、控制处理中心3。
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，本实施例提供了基于无线传感器网络的茶园气候监控系统，包括多个传感器节点1，还包括基站2和控制处理中心3，传感器节点1与基站2通信连接，基站2与控制处理中心3通信连接。
多个传感器节点1采用基于链路强度的拓扑演化机制构建用于监测茶园气候并实时采集茶园气候监测数据的无线传感器网络拓扑结构；根据无线传感器网络拓扑结构，传感器节点1采集茶园气候监测数据并将采集的茶园气候监测数据最终传送到基站2，进而由基站2将接收到的茶园气候监测数据传送到控制处理中心3；控制处理中心3用于对基站2发送的茶园气候监测数据进行存储、分析处理，构建并显示茶园气候监测数据曲线和/或拓扑图。
可选地，控制处理中心3包括存储模块、分析处理模块和显示模块，存储模块用于对基站2发送的茶园气候监测数据进行存储；分析处理模块用于对基站2发送的茶园气候监测数据进行分析处理；显示模块用于显示茶园气候监测数据曲线和/或拓扑图。
如图2所示，在一个实施例中，还提供了基于无线传感器网络的茶园气候监控方法，该方法包括以下步骤：
S01在预构建无线传感器网络拓扑的区域内进行传感器节点的部署，将全部传感器节点随机部署在该区域内；
S02多个传感器节点采用基于链路强度的拓扑演化机制构建用于监测茶园气候并实时采集茶园气候监测数据的无线传感器网络拓扑结构；
S03根据无线传感器网络拓扑结构，传感器节点采集茶园气候监测数据并将采集的茶园气候监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的茶园气候监测数据传送到控制处理中心；
S04控制处理中心对基站发送的茶园气候监测数据进行存储、分析处理，构建并显示茶园气候监测数据曲线和/或拓扑图。
本实施例的方法可以通过上述的基于无线传感器网络的茶园气候监控系统进行实施。
可选地，传感器节点设有温度、湿度和/或光照传感器。
可选地，所述的基于链路强度的拓扑演化机制具体包括：
(1)初始时刻，基站与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑；
(2)每过一个时间步长，向当前拓扑中加入一个距离当前拓扑中心距离最近的传感器节点；
(3)新加入的传感器节点确定当前拓扑中可与其建立连接的邻居节点，得到可建立连接的邻居节点集合，设该可建立连接的邻居节点集合中具有的邻居节点数为k，需要建立连接的邻居节点数为k0(k0>2)，当k0≥k时，直接选择可建立连接的邻居节点集合中的所有邻居节点建立连接，当k0<k时，计算与该可建立连接的邻居节点集合内每个邻居节点的连接概率，并基于连接概率从大到小的顺序在该可建立连接的邻居节点集合中选择前k0个邻居节点相连；
(4)继续执行(2)、(3)，直到N1个传感器节点加入拓扑，其中N0+N1＝N，其中N0为初始拓扑包含的传感器节点个数，N为部署的传感器节点的总个数。
本发明上述实施例中，通过基于无线传感器网络的茶园气候监控方法及系统进行茶园气候监控，能够帮助茶园管理者实时了解茶园的气候信息，方法简单便捷，能够帮助茶园管理者了解整个茶园气候情况、生长状态的参数分布，对紧急情况做出预警处理，大大降低了茶园管理的人力开销。
在一个实施例中，所述传感监测装置1包括多个传感器节点、基站，基站和多个传感器节点一同构建成用于感知和采集茶园气候监测数据的无线传感器网络，传感器节点采集的茶园气候监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的茶园气候监测数据传送到控制处理中心4。其中，该传感器节点设有传感器，传感器为温度传感器和/或风流传感器。本实施例利用无线传感器网络技术进行茶园气候监测数据采集，避免了布线，实施简单。
在一个实施例中，连接概率的计算公式为：
其中
式中，Aa为新加入的传感器节点a的可建立连接的可建立连接的邻居节点集合，b表示该可建立连接的邻居节点集合中的第b个邻居节点，c表示该可建立连接的邻居节点集合中的第c个邻居节点，Pab表示新加入的传感器节点a与邻居节点b的连接概率，Wab为新加入的传感器节点a与邻居节点b之间的链路强度，Db为与邻居节点b相连的传感器节点个数，即邻居节点b的节点度，Wac为新加入的传感器节点a与邻居节点c之间的链路强度，Dc为邻居节点c的节点度；
式中，Qb为邻居节点b的当前剩余能量，Qelec为数据融合能耗，εamp为放大器功放能耗，L(a,b)为新加入的传感器节点a与邻居节点b之间的距离。
其中，所谓传感器节点的邻居节点，是指与传感器节点的距离小于该传感器节点的通信距离的其他传感器节点。
拓扑结构是无线传感器网络生存的基础，相关技术中，采用拓扑演化机制进行拓扑结构构建时，新加入的传感器节点与邻居节点b之间连接的概率只与邻居节点b的节点度来决定，这使得网络中某些度较大的传感器节点受到攻击时，有可能造成整个无线传感器网络瘫痪。
本实施例改进了相关技术中的新加入的传感器节点与邻居节点之间的概率公式，在该概率公式中新加入了链路强度因子，使得邻居节点的链路强度可以直接对拓扑构建的整个过程构成影响。
本实施例从中定义了链路强度的计算公式，由该链路强度的计算公式可知，当前剩余能量越大、与新加入的传感器节点更近的邻居节点与新加入的传感器节点之间的链路更强，通过利用链路强度来影响概率，最终能够使得高能和通信距离较短的邻居节点具有更大的连接概率，从而有利于均衡能耗，使构建的无线传感器网络拓扑结构具有更好的节能性和抗毁性，有益于降低茶园气候监测数据采集的能耗，节省茶园气候监测的通信成本。
在一个实施例中，所述的确定当前拓扑中可与其建立连接的邻居节点，具体包括：
(1)新加入的传感器节点确定当前拓扑内满足下列可连接条件的邻居节点的个数k1：
式中，Dδ表示当前拓扑内新加入的传感器节点的邻居节点δ的节点度，Dmax为传感器节点的最大节点度数，Dδε为所述邻居节点δ的第ε个邻居节点的节点度数，DT为预设的节点度平方差阈值，y(Dδ<Dmax)为设定的判断函数，当Dδ<Dmax成立时，y(Dδ<Dmax)＝1，当Dδ<Dmax不成立时，y(Dδ<Dmax)＝0；
(2)若k1≥2，只将满足可连接条件的各邻居节点作为可建立连接的邻居节点，归入可建立连接的邻居节点集合；若k1<2，将满足Dδ<Dmax的邻居节点作为可建立连接的邻居节点，归入可建立连接的邻居节点集合。
本实施例设定了当前拓扑中可与新加入的传感器节点建立连接的邻居节点需要满足的条件，对新加入的传感器节点的邻居节点进行了筛选处理，使得节点度大于最大节点度数的传感器节点不再建立新的连接。
通过上述方式对邻居节点进行筛选，可有效防止传感器节点的能量过度消耗，并且优先选择满足节点度数差条件的邻居节点作为可建立连接的邻居节点，有利于缩小拓扑边的两个端点的节点度数差，从而使得拓扑的鲁棒性得到提升，进一步使得茶园气候监测数据的采集更加高效、可靠，满足对茶园气候监测的实时性要求。
在一个实施例中，基站与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑，具体包括：
(1)基站与其一跳距离内的传感器节点构建拓扑连边，形成一级拓扑；
(2)一级拓扑内的每个传感器节点分别确定自己的邻居节点集，计算各邻居节点的择优连接值，并从邻居节点集中按照择优连接值由大到小的顺序选择前kρ0个邻居节点构建拓扑连边，形成二级拓扑，其中kρ为一级拓扑内的传感器节点ρ具有的邻居节点个数，所述的一级拓扑与二级拓扑组成无线传感器网络的初始拓扑；
其中，择优连接值的计算公式为：
式中，Ei-j表示一级拓扑内的传感器节点i的第j个邻居节点的择优连接值，Qi-j为该第j个邻居节点的当前剩余能量，L(i,j)为传感器节点i与所述第j个邻居节点之间的距离，Ri表示一级拓扑内的传感器节点i的邻居节点集，Qi-f为Ai中第f个邻居节点的当前剩余能量，L(i,f)为传感器节点i与与所述第f个邻居节点之间的距离，m1、m2为调节参数，用于调节当前能量因素、节点间距因素占择优连接值的比重。
相关技术中，基站与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑，通常是将距离基站小于LT的传感器节点直接与基站构建拓扑连边，其中LT为设定的距离阈值。这种初始拓扑构建的方法没有考虑到初始拓扑的稳定性问题，不利于后续拓扑演化。
本实施例改进了初始拓扑的构建方式，定义了择优连接值的计算公式，并选取择优连接值较大的传感器节点构建二级拓扑。由该择优连接值的计算公式可知，传感器节点的能量权值越大，节点间通信距离越短，则具有更大的择优连接值，由于高能且节点间通信距离越短的传感器节点越不容易失效，从而选择较大择优连接值的传感器节点参与二级拓扑的构建，更有益于增强初始拓扑的稳定性，提高初始拓扑的抗毁性能，为后续的拓扑演化奠定良好的基础。
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 (5)

1.基于无线传感器网络的茶园气候监控方法，其特征是，包括以下步骤：
在预构建无线传感器网络拓扑的区域内进行传感器节点的部署，将全部传感器节点随机部署在该区域内；
多个传感器节点采用基于链路强度的拓扑演化机制构建用于监测茶园气候并实时采集茶园气候监测数据的无线传感器网络拓扑结构；
根据无线传感器网络拓扑结构，传感器节点采集茶园气候监测数据并将采集的茶园气候监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的茶园气候监测数据传送到控制处理中心；
控制处理中心对基站发送的茶园气候监测数据进行存储、分析处理，构建并显示茶园气候监测数据曲线和/或拓扑图。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的茶园气候监控方法，其特征是，传感器节点设有温度、湿度和/或光照传感器。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的茶园气候监控方法，其特征是，所述的基于链路强度的拓扑演化机制具体包括：
(1)初始时刻，基站与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑；
(2)每过一个时间步长，向当前拓扑中加入一个距离当前拓扑中心距离最近的传感器节点；
(3)新加入的传感器节点确定当前拓扑中可与其建立连接的邻居节点，得到可建立连接的邻居节点集合，设该可建立连接的邻居节点集合中具有的邻居节点数为k，需要建立连接的邻居节点数为k0(k0>2)，当k0≥k时，直接选择可建立连接的邻居节点集合中的所有邻居节点建立连接，当k0<k时，计算与该可建立连接的邻居节点集合内每个邻居节点的连接概率，并基于连接概率从大到小的顺序在该可建立连接的邻居节点集合中选择前k0个邻居节点相连；
(4)继续执行(2)、(3)，直到N1个传感器节点加入拓扑，其中N0+N1＝N，其中N0为初始拓扑包含的传感器节点个数，N为部署的传感器节点的总个数。
4.基于无线传感器网络的茶园气候监控系统，其特征是，包括如权利要求1-3任一项所述的传感器节点、基站和控制处理中心。
5.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的茶园气候监控系统，其特征是，控制处理中心包括存储模块、分析处理模块和显示模块，存储模块用于对基站发送的茶园气候监测数据进行存储；分析处理模块用于对基站发送的茶园气候监测数据进行分析处理；显示模块用于显示茶园气候监测数据曲线和/或拓扑图。
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