CN108171952A - 基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统，包括：由分布在温室大棚中的温湿度监测节点组成的无线传感器网络；由基站节点和温室大棚监控中心相连接形成的温室大棚监控系统；所述基站节点与所述无线传感器网络之间无线通信。本发明具有体积小、功耗少、快速组网等优点，并通过温室大棚监控中心进行接收数据、发送命令，具有部署方便，成本低廉等优点。

Description

基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统

技术领域

本发明涉及温室大棚监测技术领域，具体涉及基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统。

背景技术

温室大棚是现代高产高效农业的典型，它的建设与发展日益受到高度重视。但目前温室大棚多靠人工经验进行管理，或以单片机构成的单测控系统进行管理，其自动化程度不高，效率较低。随着我国农业向优质、高效、高产农业的发展，各种新的控制技术越来越广泛的应用于温室生产中，其中分布式温室控制系统已成为当前的一个重要发展方向。

分布式温室控制系统需要先进的环境指数采集装置。相关技术中，此类系统多基于各种工业总线和工控设备构成，其不足在于：工业总线和工控设备的成本较高，主要用于作物工业化生产的大型温室，不适合地点较为分散和对价格较为敏感的日光温室；而且工业总线和工控设备均采用有线方式，这种有线通信方式在长距离布线时非常麻烦，使得成本高、建设周期长、维护困难等缺陷。

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温室大棚用温湿度采集通信系统。

本发明的目的采集以下技术方案来实现：

提供了基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统，包括：

由分布在温室大棚中的温湿度监测节点组成的无线传感器网络；

由基站节点和温室大棚监控中心相连接形成的温室大棚监控系统；

所述基站节点与所述无线传感器网络之间无线通信。

优选地，所述温湿度监测节点是包括用于测量周围环境的温度和湿度信息的温湿度传感器、用于与邻居温湿度监测节点进行无线通信的无线收发电路和用于显示测量结果的显示器件，每个所述温湿度监测节点具有一个电源为温湿度监测节点供电。

优选地，所述的温室大棚监控中心包括用于与基站节点通信的通信模块、用于处理温湿度监测节点采集的温湿度监测数据的数据处理模块。

优选地，所述的无线传感器网络采用的网络模型为：将温室大棚监测区域划分为多个大小相等的虚拟的正方形监测子区域，每个正方形监测子区域内的温湿度监测节点通过分簇路由协议竞选出一个簇头节点，剩余的温湿度监测节点作为温湿度监测成员节点，其中簇头节点用于接收并融合所在正方形监测子区域内温湿度监测成员节点采集的温湿度监测数据，然后将温湿度监测数据传送至基站节点。

本发明的有益效果为：具有体积小、功耗少、快速组网等优点，并通过温室大棚监控中心进行接收数据、发送命令，具有部署方便，成本低廉等优点。

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温室大棚监控中心的连接框图。

附图标记：

无线传感器网络1、基站节点2、温室大棚监控中心3、通信模块10、数据处理模块20。

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，本实施例提供的基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统，包括：

由分布在温室大棚中的温湿度监测节点组成的无线传感器网络1；

由基站节点2和温室大棚监控中心3相连接形成的温室大棚监控系统；

所述基站节点2与所述无线传感器网络1之间无线通信。

在一个实施例中，所述温湿度监测节点是包括用于测量周围环境的温度和湿度信息的温湿度传感器、用于与邻居温湿度监测节点进行无线通信的无线收发电路和用于显示测量结果的显示器件，每个所述温湿度监测节点具有一个电源为温湿度监测节点供电。

在一个实施例中，所述的温室大棚监控中心3包括用于与基站节点2通信的通信模块10、用于处理温湿度监测节点采集的温湿度监测数据的数据处理模块20。

本发明上述实施例设计的基于无线传感器网络1的温室大棚用温湿度采集通信系统具有体积小、功耗少、快速组网等优点，并通过温室大棚监控中心3进行接收数据、发送命令，具有部署方便，成本低廉等优点。

在一个实施例中，所述的无线传感器网络1采用的网络模型为：将温室大棚监测区域划分为多个大小相等的虚拟的正方形监测子区域，每个正方形监测子区域内的温湿度监测节点通过分簇路由协议竞选出一个簇头节点，剩余的温湿度监测节点作为温湿度监测成员节点，其中簇头节点用于接收并融合所在正方形监测子区域内温湿度监测成员节点采集的温湿度监测数据，然后将温湿度监测数据传送至基站节点2。

在一个实施例中，所述的无线传感器网络1通过分簇路由协议竞选簇头节点时，具体包括：

(1)对于正方形监测子区域i，设其覆盖范围内的温湿度监测节点数目为x_i，基站节点2计算与i内各温湿度监测节点的距离，将距离从小到大的顺序排列，找出前个温湿度监测节点，并计算前个温湿度监测节点的几何中心，即个温湿度监测节点坐标的平均值；

(2)设该几何中心为L_i，i内各温湿度监测节点计算自身的竞争能力值，设表示i内第j个温湿度监测节点的竞争能力值，的计算公式为：

式中，分别为i内第j个温湿度监测节点的当前剩余能量、初始能量，为i内温湿度监测节点的平均剩余能量，H(j,L_i)表示i内第j个温湿度监测节点与L_i之间的距离，H(sink,L_i)表示L_i与基站节点2之间的距离，e为设定的权重因子，e的取值范围为[0.8,1]；

(3)选出为最大的温湿度监测节点作为i内的簇头节点，i内的其余温湿度监测节点作为温湿度监测成员节点。

本实施例通过综合考虑温湿度监测节点的几何位置以及剩余能量来优化簇头节点的选取，其中设计了竞争能力值的计算公式，将竞争能力值最大的温湿度监测节点作为簇头节点，使得选举出的簇头节点在满足能量要求的同时能够与温湿度监测成员节点之间的距离较近，并且尽量靠近基站节点2，有利于降低温湿度监测节点间的通信能耗，降低温湿度监测数据收集的能量成本，从而延长无线传感器网络1的生命周期，保障温室大棚用温湿度采集通信系统有效运作。

在一个实施例中，设Q_mp为簇头节点向基站节点2传输温湿度监测数据时的能量损耗系数，Q_fs为温湿度监测成员节点向簇头节点发送温湿度监测数据时的能量损耗系数，温湿度监测节点以设定的密度λ泊松分布于温室大棚监测区域内，并按照下列公式设定正方形监测子区域的数目：

式中，Z为温室大棚监测区域面积，d_max为温湿度监测节点中的最大通信半径。

相对于随机选举簇头节点的方式，本实施例根据温室大棚监测区域的面积、温湿度监测节点的通信范围以及能量损耗的实际情况控制正方形监测子区域划分的规模，从而实现了簇头节点数目的优化控制，有利于均匀分簇，能够减少因簇的分布不合理造成的网络损耗，保证每个温湿度监测成员节点与所属的簇头节点能够相互通信，且尽可能节省通信能量消耗，从而节约无线传感器网络1的温湿度监测数据收集成本。

在一个实施例中，温湿度监测成员节点通过直接或者多跳转发的形式与簇头节点通信，具体包括：

(1)设正方形监测子区域i覆盖范围内的温湿度监测成员节点数目为x_i-1，其内的簇头节点为u，i内各温湿度监测成员节点y的坐标为(a_y,b_y)，y＝1,…,x_i-1，u的坐标为(a_u,b_u)，H_T为设定的通信距离阈值，按照下列公式设定H_T：

(2)设温湿度监测成员节点y与簇头节点u之间的距离为H_yu，温湿度监测成员节点y的最大通信半径为d_y，若H_yu≤H_T且H_yu≤d_y，则温湿度监测成员节点y与簇头节点u直接通信，否则温湿度监测成员节点y以多跳转发的形式与簇头节点u通信。

本实施例中，对于位于设定的通信距离阈值范围内且最大通信半径大于设定的通信距离阈值的温湿度监测成员节点采用直接通信的方式与簇头节点通信，对于不满足条件的其余温湿度监测成员节点采用多跳转发的方式与簇头节点通信，能够保障温湿度监测节点之间的通信有效度；

本实施例设置的正方形监测子区域内温湿度监测节点间的通信方式，相对于所有温湿度监测成员节点与簇头节点直接通信的方式，能够一定程度上减少温湿度监测数据传输的能量消耗，并且相对于所有温湿度监测成员节点与簇头节点多跳转发通信的方式，能够提高温湿度监测数据传输的效率。

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.基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统，其特征是，包括：

由分布在温室大棚中的温湿度监测节点组成的无线传感器网络；

由基站节点和温室大棚监控中心相连接形成的温室大棚监控系统；

所述基站节点与所述无线传感器网络之间无线通信。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统，其特征是，所述温湿度监测节点是包括用于测量周围环境的温度和湿度信息的温湿度传感器、用于与邻居温湿度监测节点进行无线通信的无线收发电路和用于显示测量结果的显示器件，每个所述温湿度监测节点具有一个电源为温湿度监测节点供电。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统，其特征是，所述的温室大棚监控中心包括用于与基站节点通信的通信模块、用于处理温湿度监测节点采集的温湿度监测数据的数据处理模块。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统，其特征是，所述的无线传感器网络采用的网络模型为：将温室大棚监测区域划分为多个大小相等的虚拟的正方形监测子区域，每个正方形监测子区域内的温湿度监测节点通过分簇路由协议竞选出一个簇头节点，剩余的温湿度监测节点作为温湿度监测成员节点，其中簇头节点用于接收并融合所在正方形监测子区域内温湿度监测成员节点采集的温湿度监测数据，然后将温湿度监测数据传送至基站节点。

5.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统，其特征是，设Q_mp为簇头节点向基站节点传输温湿度监测数据时的能量损耗系数，Q_fs为温湿度监测成员节点向簇头节点发送温湿度监测数据时的能量损耗系数，温湿度监测节点以设定的密度λ泊松分布于温室大棚监测区域内，并按照下列公式设定正方形监测子区域的数目：

式中，Z为温室大棚监测区域面积，d_max为温湿度监测节点中的最大通信半径。

6.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的温室大棚用温湿度采集通信系统，其特征是，温湿度监测成员节点通过直接或者多跳转发的形式与簇头节点通信，具体包括：

(1)设正方形监测子区域i覆盖范围内的温湿度监测成员节点数目为x_i-1，其内的簇头节点为u，i内各温湿度监测成员节点y的坐标为(a_y,b_y)，y＝1,…,x_i-1，u的坐标为(a_u,b_u)，H_T为设定的通信距离阈值，按照下列公式设定H_T：

(2)设温湿度监测成员节点y与簇头节点u之间的距离为H_yu，温湿度监测成员节点y的最大通信半径为d_y，若H_yu≤H_T且H_yu≤d_y，则温湿度监测成员节点y与簇头节点u直接通信，否则温湿度监测成员节点y以多跳转发的形式与簇头节点u通信。