CN108200148A - 应用无线传感器网络的果园监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了应用无线传感器网络的果园监控系统，包括果园环境传感装置、果园监控中心和用户终端，所述的果园环境传感装置、用户终端分别与果园监控中心通信连接；所述的果园环境传感装置包括基站和多个部署于设定的果园种植监测区域内的传感器节点，多个传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集果园环境监测数据的无线传感器网络；传感器节点采集的果园环境监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的果园环境监测数据传送到果园监控中心；所述的果园监控中心用于存储果园环境监测数据和其他果园信息数据，并用于对果园环境监测数据进行分析处理。本发明使得用户能够实时获取果园的相关信息。

Description

应用无线传感器网络的果园监控系统

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及应用无线传感器网络的果园监控系统。

背景技术

在果树生长过程中，微气象信息对对果树生长发育、生产管理决策以及病虫害发生发展与预防等具有重要的影响。传统的信息获取主要依靠人工来完成，这样不仅费时费力而且效率很低。

无线传感器网络是一种新型的信息获取技术，由众多具有感知、处理和无线通信能力的微型化传感器节点相互通信、相互协作形成一个自组织网络，完成特定的应用任务。

发明内容

针对上述问题，本发明提供应用无线传感器网络的果园监控系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了应用无线传感器网络的果园监控系统，包括果园环境传感装置、果园监控中心和用户终端，所述的果园环境传感装置、用户终端分别与果园监控中心通信连接；所述的果园环境传感装置包括基站和多个部署于设定的果园种植监测区域内的传感器节点，多个传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集果园环境监测数据的无线传感器网络；传感器节点采集的果园环境监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的果园环境监测数据传送到果园监控中心；所述的果园监控中心用于存储果园环境监测数据和其他果园信息数据，并用于对果园环境监测数据进行分析处理。

本发明的有益效果为：基于无线传感器网络技术设计了果园监控系统，使得用户能够利用用户终端访问果园监控中心以实时获取果园的相关信息，减少了传统信息获取过程中受时间和空间等因素的限制。

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示意框图；

图2是本发明一个实施例的果园监控中心的结构示意框图。

附图标记：

果园环境传感装置1、果园监控中心2、用户终端3、数据存储模块10、数据处理模块20、通信模块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，本实施例提供的应用无线传感器网络的果园监控系统，包括果园环境传感装置1、果园监控中心2和用户终端3，所述的果园环境传感装置1、用户终端3分别与果园监控中心2通信连接；所述的果园环境传感装置1包括基站和多个部署于设定的果园种植监测区域内的传感器节点，多个传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集果园环境监测数据的无线传感器网络；传感器节点采集的果园环境监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的果园环境监测数据传送到果园监控中心2；所述的果园监控中心2用于存储果园环境监测数据和其他果园信息数据，并用于对果园环境监测数据进行分析处理。

其中，用户终端3可以通过访问果园监控中心2查看果园环境监测数据以及对果园环境监测数据的分析处理结果。

在一个实施例中，如图2所示，所述的果园监控中心2包括数据存储模块10、数据处理模块20、通信模块30；所述的数据存储模块10用于存储果园环境监测数据和其他果园信息数据；所述的数据处理模块20用于将果园环境监测数据与预设的标准阈值进行比较，输出异常的果园环境监测数据；所述通信模块30用于实现果园监控中心2与用户终端3、果园环境传感装置1之间的数据通信。其中，果园环境监测数据为异常指的是该果园环境监测数据超出预设的标准阈值。

可选地，所述果园环境监测数据包括果园的空气温湿度、土壤温度、土壤湿度、风速、二氧化碳浓度或光照强度。

本发明上述实施例基于无线传感器网络技术设计了果园监控系统，使得用户能够利用用户终端访问果园监控中心以实时获取果园的相关信息，减少了传统信息获取过程中受时间和空间等因素的限制。

在一个实施例中，传感器节点通过拓扑演化建立所述的无线传感器网络的拓扑结构，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新传感器节点；

(3)新传感器节点根据当前剩余能量确定自身的通信半径，并确定当前拓扑的位于其通信半径范围内的传感器节点，归入邻居节点集；

(4)计算邻居节点集中每一个传感器节点的被选择连接的概率，新传感器节点根据计算出的概率由大到小的顺序从邻居节点集中选出m₀个传感器节点进行连接，其中m₀<m，其中m为邻居节点集中包含的传感器节点个数；

(5)继续执行(2)到(4)，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为部署在设定的监测区域内的传感器节点个数。

相关技术中，无标度网络中连接度分布函数具有幂率形式，由于其节点的度没有特征长度，因而基于复杂网络无标度性构建的传感器网络拓扑，可使网络具有较高的随机抗毁性，且节点间连接链路较少，减少通信浪费。该方法虽然从随机抗毁性方面提高了网络性能，但由于其度分布的不均匀，导致一些关键节点能量消耗巨大，使其过早死亡从而导致网络的失效。本实施例在该方法的基础上进行进一步改进，提出了一种新的拓扑演化机制来构建用于对果园环境进行监测的无线传感器网络的拓扑结构。

在一个实施例中，所述的计算邻居节点集中每一个传感器节点的被选择连接的概率，具体包括：

(1)利用一阶射频模型，计算邻居节点集中每一个传感器节点的生命权值：

式中，W_a表示邻居节点集中传感器节点a的生命权值，H(a,sink)为传感器节点a到基站的距离，Q_elec为数据融合能耗，ε_amp为放大器功放能耗，H_a-max为传感器节点a与其相距最远的邻居节点间的距离；

(2)根据下列公式计算每一个传感器节点的被选择连接的概率：

式中，Λ_γ表示新传感器节点γ的邻居节点集，Ω(a)表示邻居节点集中第a个传感器节点被选择连接的概率，W_a为所述第a个传感器节点的生命权值，E_a为所述第a个传感器节点的节点度，E_b表示邻居节点集中第b个传感器节点的节点度，W_b为所述第b个传感器节点的生命权值，E_b为所述第b个传感器节点的节点度。

本实施例定义了传感器节点的生命权值计算公式，由该生命权值计算公式可知，生命权值的大小与当前剩余能量、节点间距离以及与基站的距离有关，传感器节点的当前剩余能量越大、节点间距离越近、与基站的距离越远时，生命权值就越大，反之，生命权值就越小。

由于无线传感器网络的拓扑结构是无线传感器网络生存的基础，而有限的传感器节点能量通常会造成传感器节点能量耗尽失效而引起拓扑分割，本实施例根据生命权值进一步改进了传感器节点被选择连接的概率的计算公式，由该计算公式可知，生命权值较大的传感器节点拥有较大的连接概率，生命权值较小的传感器节点拥有较小的连接概率，有利于促使生命权值较大的传感器节点能够传输更多的果园环境监测数据，避免生命权值较小的传感器节点的能量较快耗尽死亡，使得生成的拓扑能够均衡网络能耗，延长无线传感器网络的生命周期，从而提高了果园监控系统运行的可靠性。

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)将与基站一跳距离以内的传感器节点与基站构建拓扑连边，形成一级拓扑；

(2)一级拓扑内的各传感器节点分别计算自身与邻居节点的链路强度值，其中邻居节点为位于传感器节点通信范围内的其他传感器节点：

式中，D_x-表示一级拓扑内的传感器节点x与其第y个邻居节点的链路强度值，Q_x为所述的传感器节点x的当前剩余能量，Q_y为所述第y个邻居节点的当前剩余能量，Q_elec为数据融合能耗，ε_amp为放大器功放能耗，H(x,y)为所述的传感器节点x与其第y个邻居节点的距离；

(3)一级拓扑内的每个传感器节点选择最大链路强度值对应的邻居节点构建拓扑连边，以构建二级拓扑，最终形成初始拓扑。

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H_T的传感器节点直接与基站构建拓扑连边，其中H_T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。基于此，本实施例改进了初始拓扑的构建方式，从中定义了链路强度值的计算公式，由该计算公式可知，当两端传感器节点的当前剩余能量越大，通信距离越短，则链路强度值越大，因此链路强度值可以较好地衡量两个传感器节点之间的链路通信能力；与基站共同构建一级拓扑的传感器节点在其邻居节点集中继续选择最大链路强度值对应的邻居节点构建拓扑连边，有益于增强初始拓扑的稳定性，提高初始拓扑的抗毁性能，从而为形成稳定的用于果园环境的无线传感器网络奠定良好的基础。

在一个实施例中，传感器节点的通信半径能够在V₁<V₂<…<V_N之间连续切换；所述的新传感器节点根据当前剩余能量确定自身的通信半径，具体为：

(1)新传感器节点获取当前拓扑内的各个传感器节点的当前剩余能量；

(2)当新传感器节点满足下列条件时，在V₁<V₂<…<V_N/2之间随机选择一个通信半径作为自身的通信半径，当不满足下列条件时，新传感器节点在V_N/2<…<V_N之间随机选择一个通信半径作为自身的通信半径：

式中，Q_i为新传感器节点i的当前剩余能量，Q_j为在当前拓扑内的第j个传感器节点的当前剩余能量，n_i表示当前拓扑具有的传感器节点的个数。

本实施例提出了新传感器节点的通信半径确定机制，新传感器节点能够根据当前剩余能量来确定自身的通信半径，能够防止新传感器节点因为能量的过度消耗而失效，有益于增强拓扑的可靠性，且有利于促使无线传感器网络向节能的方向转变，从而平衡网络能耗，进一步利于节省果园环境监测数据采集的能耗，降低果园监控系统的监测成本。

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.应用无线传感器网络的果园监控系统，其特征是，包括果园环境传感装置、果园监控中心和用户终端，所述的果园环境传感装置、用户终端分别与果园监控中心通信连接；所述的果园环境传感装置包括基站和多个部署于设定的果园种植监测区域内的传感器节点，多个传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集果园环境监测数据的无线传感器网络；传感器节点采集的果园环境监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的果园环境监测数据传送到果园监控中心；所述的果园监控中心用于存储果园环境监测数据和其他果园信息数据，并用于对果园环境监测数据进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的应用无线传感器网络的果园监控系统，其特征是，所述的果园监控中心包括数据存储模块、数据处理模块和通信模块；所述的数据存储模块用于存储果园环境监测数据和其他果园信息数据；所述的数据处理模块用于将果园环境监测数据与预设的标准阈值进行比较，输出异常的果园环境监测数据；所述通信模块用于实现果园监控中心与用户终端、果园环境传感装置之间的数据通信。

3.根据权利要求2所述的应用无线传感器网络的果园监控系统，其特征是，所述果园环境监测数据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。

4.根据权利要求1所述的应用无线传感器网络的果园监控系统，其特征是，传感器节点通过拓扑演化建立所述的无线传感器网络的拓扑结构，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新传感器节点；

(3)新传感器节点根据当前剩余能量确定自身的通信半径，并确定当前拓扑的位于其通信半径范围内的传感器节点，归入邻居节点集；

(4)计算邻居节点集中每一个传感器节点的被选择连接的概率，新传感器节点根据计算出的概率由大到小的顺序从邻居节点集中选出m₀个传感器节点进行连接，其中m₀<m，其中m为邻居节点集中包含的传感器节点个数；

(5)继续执行(2)到(4)，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为部署在设定的监测区域内的传感器节点个数。

5.根据权利要求4所述的应用无线传感器网络的果园监控系统，其特征是，所述的计算邻居节点集中每一个传感器节点的被选择连接的概率，具体包括：

(1)利用一阶射频模型，计算邻居节点集中每一个传感器节点的生命权值：

式中，W_a表示邻居节点集中传感器节点a的生命权值，H(a,sink)为传感器节点a到基站的距离，Q_elec为数据融合能耗，ε_amp为放大器功放能耗，H_a-max为传感器节点a与其相距最远的邻居节点间的距离；

(2)根据下列公式计算每一个传感器节点的被选择连接的概率：

式中，Λ_γ表示新传感器节点γ的邻居节点集，Ω(a)表示邻居节点集中第a个传感器节点被选择连接的概率，W_a为所述第a个传感器节点的生命权值，E_a为所述第a个传感器节点的节点度，E_b表示邻居节点集中第b个传感器节点的节点度，W_b为所述第b个传感器节点的生命权值，E_b为所述第b个传感器节点的节点度。