CN108230649A - 基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统及方法，其中系统包括无线传感器网络、无线网关和监测中心，其中无线传感器网络包括位于待测点的传感器节点和汇聚节点，所述传感器节点通过汇聚节点接入无线网关，无线网关与监测中心双向连接，且监测中心连接有信息收发器。本发明实现了温室精细作物生长环境的无线监测。

Description

基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统及 方法

技术领域

本发明涉及农业监测领域，具体涉及基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统及方法。

背景技术

目前有些温室用来进行观赏植物的培育及一些珍贵野生植物的驯化，这些植物种植量少且生长环境要求苛刻，因此称之为精细作物。如何对温室中精细作物的生长环境进行细致的实时监测是农业工作者和农业科学研究者面临的巨大问题。传统的智能温室虽然安装有传感器监测温室的环境，但是由于传感器的密度及感知范围等原因不可能对温室中的特定植物进行细致的环境监测，传统的温室环境传感器往往只能监测一个温室的大概环境。精细作物虽然放置在温室内，但是可能由于摆放位置稍微不注意，局部的生长环境与温室环境会有不小的差别。因此会出现不少精细作物在温室中发育不良，甚至死亡的情况。

温室目前存在的主要问题：一是缺乏一种覆盖足够细致的监测系统；二是监测系统的智能化和网络化程度不够。目前温室监测系统中的传感器都是以有线的方式与监控台相连，传感器的数量和摆放位置都是固定不变的，要得到温室任意局部的环境参数是不可能的。而且温室需要有专业人员在总控台对数据进行定期的监视，这样不仅提高了人力成本，而且可靠性也没有保障。

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精细作物生长环境监测系统及方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统，包括无线传感器网络、无线网关和监测中心，其中无线传感器网络包括位于待测点的传感器节点和汇聚节点，所述传感器节点通过汇聚节点接入无线网关，无线网关与监测中心双向连接，且监测中心连接有信息收发器。

优选地，所述监测中心包括数据存储模块、数据分析模块、控制模块，其中数据存储模块用于将从无线网关接收到的传感器节点采集的环境信息存储到内置的数据库中；所述的数据分析模块用于将环境信息与其预设的对应门限值进行比较；所述控制模块用于在环境信息超过对应门限值时控制信息收发器向用户终端发送报警短信。

本发明还提供了基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)传感器节点在网络启动时刻进行分簇，从而确定多个传感器节点作为簇头，其余的传感器节点归属于与其距离最短的簇头；

(2)传感器节点进行环境信息采集，由传感器节点将采集到的环境信息发送给所归属的簇头，簇头收集簇内传感器节点采集的环境信息并进行融合后发送至汇聚节点，汇聚节点再将环境信息跳传给无线网关；

(3)与无线网关连接的监测中心读取无线网关接收到的环境信息，并将收集到的环境信息存储在监测中心的数据库中；

(4)监测中心不断扫描最近一段刷新时间内进入数据库的环境信息，使其与预先设定的各类参数门限值进行比较，如果超过门限值则判定为异常，监测中心控制与其连接的信息收发器向用户终端发送报警短信。

可选地，所述环境信息包括温度、湿度和光强。

本发明的有益效果为：可以用于完成对温室内精细作物的实时全面监测，其所采用的监测方法可以对作物的生长环境的变化做出及时的应对措施。

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温室精细作物生长环境监测系统的结构框图；

图2是本发明一个实施例的温室精细作物生长环境监测方法的流程图。

附图标记：

无线传感器网络1、无线网关2、监测中心3、信息收发器4。

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，本实施例提供的基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统，包括无线传感器网络1、无线网关2和监测中心3，其中无线传感器网络1包括位于待测点的传感器节点和汇聚节点，所述传感器节点通过汇聚节点接入无线网关2，无线网关2与监测中心3双向连接，且监测中心3连接有信息收发器4。

在一个实施例中，所述监测中心3包括数据存储模块、数据分析模块、控制模块，其中数据存储模块用于将从无线网关接收到的传感器节点采集的环境信息存储到内置的数据库中；所述的数据分析模块用于将环境信息与其预设的对应门限值进行比较；所述控制模块用于在环境信息超过对应门限值时控制信息收发器向预设的用户终端发送报警短信。

参见图2，本发明还提供了基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方法，包括如下步骤：

S01传感器节点在网络启动时刻进行分簇，从而确定多个传感器节点作为簇头，其余的传感器节点归属于与其距离最短的簇头；

S02传感器节点进行环境信息采集，由传感器节点将采集到的环境信息发送给所归属的簇头，簇头收集簇内传感器节点采集的环境信息并进行融合后发送至汇聚节点，汇聚节点再将环境信息跳传给无线网关；

S03与无线网关连接的监测中心读取无线网关接收到的环境信息，并将收集到的环境信息存储在监测中心的数据库中；

S04监测中心不断扫描最近一段刷新时间内进入数据库的环境信息，使其与预先设定的各类参数门限值进行比较，如果超过门限值则判定为异常，监测中心控制与其连接的信息收发器向用户终端发送报警短信。

本发明上述实施例提供的温室精细作物生长环境监测系统可以用于完成对温室内精细作物的实时全面监测，其所采用的监测方法可以对作物的生长环境的变化做出及时的应对措施。

另外，采用基于分簇结构的无线传感器网络采集环境信息，能够降低传感器节点部署的成本以及提高环境信息的传输效率。

其中，传感器节点只在网络启动时刻进行一次分簇。

在一个实施例中，定义邻居节点为处于传感器节点的通信范围内的其他传感器节点，所述的传感器节点在网络启动时刻进行分簇，具体包括：

(1)传感器节点与邻居节点进行信息交互，构建邻居节点列表；

(2)传感器节点收到由汇聚节点发送的簇头竞选广播消息后按照下列公式计算自己的状态值，其中簇头竞选广播消息包含状态值阈值：

式中，W_i表示传感器节点i的状态值，D(sink,o)为汇聚节点到水质监控中心1的距离，D(i,j)为传感器节点i与其第j个邻居节点之间的距离，n_i为传感器节点i构建的邻居节点列表具有的邻居节点个数，Q_i为传感器节点i的当前剩余能量，Q_i0为传感器节点i的初始能量，D(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，b₁、b₂、b₃为预设的权重系数，满足b₁+b₂+b₃＝1；

(3)若传感器节点计算的状态值大于状态值阈值，则该传感器节点成功竞选为临时簇头，并向汇聚节点发送簇头担任请求消息，最后由汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定最终的簇头并完成簇的划分。

本实施例基于传感器节点与邻居节点之间的平均距离、传感器节点的能量以及距离汇聚节点的远近三个因素进行考虑，定义了传感器节点的状态值的计算公式；

利用状态值，本实施例进一步提出了传感器节点的分簇机制，该机制将状态值大于状态值阈值的传感器节点作为临时簇头，使得与邻居节点之间的平均距离越小、剩余能量越多且距离汇聚节点更近的传感器节点成为簇头的概率更大，由于簇头与簇内传感器节点之间的平均距离越小时形成的簇就更紧凑，剩余能量越多的簇头网络运行的可靠性越高，因此通过该机制确定簇头，有利于提高分簇的紧凑性和网络运行的可靠度，且使得距离汇聚节点更近的区域簇头更多，从而使得无线传感器网络中传感器节点的能量消耗更加均衡，有益于延长环境信息采集的工作周期。

在一个实施例中，所述的由汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定最终的簇头，具体包括：

(1)汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定临时簇头，并按序将临时簇头归入临时簇头列表，按照下列公式计算临时簇头列表中所有临时簇头的簇头竞争半径：

式中，L_y表示临时簇头y的簇头竞争半径，L_max为预设的簇头竞争半径最大值，D(e,sink)为传感监测装置中第e个传感器节点到汇聚节点的距离，M为传感监测装置具有的传感器节点个数，r为预设的调节系数，用于控制簇头竞争半径的取值范围；

(2)判断任意两个临时簇头的簇头竞争半径是否大于该两个临时簇头之间的距离，若存在两个临时簇头，它们的簇头竞争半径皆大于它们之间的距离，则将当前剩余能量较小的临时簇头剔除出临时簇头列表；

(3)判断结束后，将临时簇头列表中的所有临时簇头选为最终的簇头，并向所有传感器节点广播消息。

本实施例提出了一种簇头竞争机制，汇聚节点根据该簇头竞争机制对临时簇头进行进一步筛选，一方面有效避免了簇头过密情况的发生，使得无线传感器网络的分簇拓扑更加合理，另一方面，由于始终选择剩余能量最多的传感器节点担当簇头，有利于平衡无线传感器网络的能量，从而延长环境信息采集的工作周期。

在一个实施例中，在满足下列簇头轮换条件时，簇头在其簇内传感器节点中选择当前剩余能量最多的传感器节点为新的簇头：

式中，Q_a表示簇头a的当前剩余能量，Q_k为簇头a所在簇内第k个传感器节点的当前剩余能量，N_a为簇头a所在簇内的传感器节点个数。

本实施例提出了簇头的轮换机制，该机制中，簇头只有在满足簇头轮换条件时重新选择簇头，这样能够减少轮流选取簇头所消耗的能量，且在簇头的轮换中始终选择当前剩余能量最多的传感器节点作为新的簇头，有利于均衡无线传感器网络的能量，提高无线传感器网络的生存周期，从而保障温室精细作物生长环境监测有效进行。

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温室精细作物生长环境监测系统，其特征是，包括无线传感器网络、无线网关和监测中心，其中无线传感器网络包括位于待测点的传感器节点和汇聚节点，所述传感器节点通过汇聚节点接入无线网关，无线网关与监测中心双向连接，且监测中心连接有信息收发器。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统，其特征是，所述监测中心包括数据存储模块、数据分析模块、控制模块，其中数据存储模块用于将从无线网关接收到的传感器节点采集的环境信息存储到内置的数据库中；所述的数据分析模块用于将环境信息与其预设的对应门限值进行比较；所述控制模块用于在环境信息超过对应门限值时控制信息收发器向用户终端发送报警短信。

3.基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)传感器节点在网络启动时刻进行分簇，从而确定多个传感器节点作为簇头，其余的传感器节点归属于与其距离最短的簇头；

(2)传感器节点进行环境信息采集，由传感器节点将采集到的环境信息发送给所归属的簇头，簇头收集簇内传感器节点采集的环境信息并进行融合后发送至汇聚节点，汇聚节点再将环境信息跳传给无线网关；

(3)与无线网关连接的监测中心读取无线网关接收到的环境信息，并将收集到的环境信息存储在监测中心的数据库中；

(4)监测中心不断扫描最近一段刷新时间内进入数据库的环境信息，使其与预先设定的各类参数门限值进行比较，如果超过门限值则判定为异常，监测中心控制与其连接的信息收发器向用户终端发送报警短信。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方法，其特征是，所述环境信息包括温度、湿度和光强。

5.根据权利要求3或4所述的基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方法，其特征是，定义邻居节点为处于传感器节点的通信范围内的其他传感器节点，所述的传感器节点在网络启动时刻进行分簇，具体包括：

(1)传感器节点与邻居节点进行信息交互，构建邻居节点列表；

(2)传感器节点收到由汇聚节点发送的簇头竞选广播消息后按照下列公式计算自己的状态值，其中簇头竞选广播消息包含状态值阈值：

式中，W_i表示传感器节点i的状态值，D(sink,o)为汇聚节点到水质监控中心1的距离，D(i,j)为传感器节点i与其第j个邻居节点之间的距离，n_i为传感器节点i构建的邻居节点列表具有的邻居节点个数，Q_i为传感器节点i的当前剩余能量，Q_i0为传感器节点i的初始能量，D(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，b₁、b₂、b₃为预设的权重系数，满足b₁+b₂+b₃＝1；

(3)若传感器节点计算的状态值大于状态值阈值，则该传感器节点成功竞选为临时簇头，并向汇聚节点发送簇头担任请求消息，最后由汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定最终的簇头并完成簇的划分。