CN108307473A - 基于无线传感器网络的果园种植监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于无线传感器网络的果园种植监测系统，包括环境监测装置、数据处理中心和用户终端，所述的环境监测装置、用户终端分别与数据处理中心通信连接；所述的环境监测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数据处理中心；所述的数据处理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

基于无线传感器网络的果园种植监测系统

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及基于无线传感器网络的果园种植监测系统。

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。其中传感器节点部署的好坏对监测效果起着重要作用，且直接影响着无线传感器网络的寿命和性能。节点部署根据部署方式可以分为随机部署、固定部署和移动分布部署。其中，随机部署通常采用飞机抛撒的方式将节点随机部署在果园种植监测区域内，多用于战场或者恶劣的环境；固定部署根据预先了解的物理环境，以能监测到环境的每一个角落为目标，将传感器及节点放放置在合适的位置；移动分布部署主要针对移动节点而言，通常作为前两种部署的补充部署方式来使用，即当无线传感器网络的一些节点损坏的吋候，移动节点可以自由移动到损坏节点的附近，充当损坏节点的备用节点，以保证原网络通信的正常进行。

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果园种植监测系统。

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果园种植监测系统，包括环境监测装置、数据处理中心和用户终端，所述的环境监测装置、用户终端分别与数据处理中心通信连接；所述的环境监测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数据处理中心；所述的数据处理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种植监测系统，使得用户能够利用用户终端访问数据处理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数据处理中心的结构示意框图。

附图标记：

环境监测装置1、数据处理中心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，本实施例提供的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，包括环境监测装置1、数据处理中心2和用户终端3，所述的环境监测装置1、用户终端3分别与数据处理中心2通信连接；所述的环境监测装置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数据处理中心2；所述的数据处理中心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可以通过访问数据处理中心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。

优选地，如图2所示，所述的数据处理中心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用于实现数据处理中心2与用户终端3、环境监测装置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。

优选地，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种植监测系统，使得用户能够利用用户终端访问数据处理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，所有传感器节点的感知半径都相同，进行传感器节点的部署时，根据该设定的果园种植监测区域的面积确定需要部署的传感器节点数量的门限下限：

式中，M_min表示需要部署的传感器节点数量的门限下限，Α为设定的果园种植监测区域的面积，ξ为实现全面监测所预设的传感器节点覆盖率的门限下限，R_c为部署的传感器节点的通信半径；θ为综合考虑屏蔽和信号衰减对传感器节点通信半径的影响而设置的环境因子，int[·]表示取整函数，用于对的计算结果取整数。

其中，在实际部署传感器节点时，要确保部署的传感器节点个数不小于M_min，并且为了果园种植监测系统的经济性和安全性，在实际部署的传感器节点数量可尽量按照M_min进行设置。

优选地，传感器节点覆盖率的门限下限的取值为85％。传感器节点覆盖率的门限下限还可以取值为大于85％的其他数值。

相关技术中，环境影响传感器节点通信能力的因素主要包括屏蔽和信号衰减，其中果园种植监测区域内的一些障碍物会对传感器节点之间的通信信号产生一定的遮挡，导致传感器节点之间的实际通信距离小于传感器节点的理论通信距离R_c，而信号衰减可能会造成传感器节点在通信半径的末端而不能可靠通信。

此外，在进行传感器节点的部署时，还需要考虑到布设的传感器节点是否能够覆盖整个果园种植监测区域以及这些传感器节点能否完成准确地采集到果园环境监测数据。

本实施例提出了需要部署的传感器节点数量的门限下限的计算公式，该计算公式基于环境因素和覆盖能力两个角度为约束条件，引入了节点覆盖率门限下限ξ和环境因子θ，能够较为精确地确定为满足无线传感器网络关于全面覆盖和有效通信的要求而应该部署的传感器节点的最少数量，从而为进行传感器节点的实际部署提供了科学依据。

在一个实施例中，环境因子θ的取值范围为(0,1)，由专家凭经验确定环境因子θ的具体取值。

在另一个实施中，根据试验确定环境因子θ的具体取值，具体包括：在设定的果园种植监测区域内选定多个试验区域并进行标号，按照标号顺序在每个试验区域进行一次传感器节点通信情况的测试，每次试验时在选定的试验区域内设置试验用的一对传感器节点以及一个参考传感器节点，并使传感器节点间通信连接，测试传感器节点间的通信情况，设该对传感器节点为i、j，根据每次的测试结果，按照下列公式确定θ：

式中，W_i ^x为第x次试验时传感器节点i的接收功率，W₀ ^x为第x次试验时传感器节点i从参考传感器节点获得的功率，d₀ ^x为第x次试验时传感器节点i和参考传感器节点之间的距离，d_i4 ^x为第x次试验时传感器节点i和传感器节点j之间的距离，m为试验次数。

本实施例在进行环境因子θ的取值时，在设定的果园种植监测区域内的不同位置处设置传感器节点来测试传感器节点间的通信情况，并相应给出了环境因子θ的试验取值公式，使得环境因子θ的取值更加贴近果园种植监测区域的实际情况，相对于由专家直接确定取值的方式，计算出的环境因子θ的取值能够更加客观地、精确地衡量屏蔽和信号衰减对传感器节点通信半径的影响，从而有利于提高传感器节点数量的门限下限的计算精度。

在一个实施例中，传感器节点采用分簇结构进行果园环境监测数据传输：传感器节点通过分簇路由协议确定自己是成为簇头节点还是普通成员节点，其中普通成员节点负责感知监测并将感知到的果园环境监测数据发送至自己的簇头节点，簇头节点负责对簇内各普通成员节点发送的果园环境监测数据进行融合并发送至基站。

可选地，所述的分簇路由协议为LEACH路由协议，LEACH路由协议主要分为两个阶段:即簇建立阶段和稳定运行阶段。簇建立阶段和稳定运行阶段所持续的时间总和为一轮。为减少协议开销，稳定运行阶段的持续时间要长于簇建立阶段。在簇建立阶段，传感器节点随机生成一个0到1之间的随机数，并且与阈值T(n)做比较，如果小于该阈值，则该节点就会当选为簇头节点。T(n)按照下列公式计算：

式中，P为节点成为簇头节点的百分数，r为当前轮数，G为在最近的轮中未当选簇头的节点集合。

簇头节点选定后，广播自己成为簇头节点的消息，传感器节点根据接收到的消息的强度决定加入哪个簇，并告知相应的簇头节点，完成簇的建立过程。

在稳定阶段，传感器节点将采集的果园环境监测数据传送到簇头节点。簇头节点对采集的果园环境监测数据进行数据融合后再将信息传送给基站，基站将果园环境监测数据传送给远端智能控制中心来进行果园环境监测数据的处理。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一轮的簇重建，不断循环。

在一个实施中，簇头节点对簇内各普通成员节点发送的果园环境监测数据进行融合前，先对果园环境监测数据进行筛选处理，具体为：

(1)将要进行融合的果园环境监测数据按照从小到大的顺序排列为X₁,X₂,…,X_N，确定其中的中位数X_γ：

当N为偶数时，

当N为奇数时，

(2)若X₁,X₂,…,X_N中第b个果园环境监测数据满足下列有效度条件，则剔除该果园环境监测数据：

式中，X_b表示X₁,X₂,…,X_N中第b个果园环境监测数据，X_μ表示区间[X_γ,X_N]中第μ个果园环境监测数据，X_v表示区间[X₁,X_γ]中第v个果园环境监测数据；

(3)对剩余的果园环境监测数据进行融合处理。

传感器节点在进行果园环境监测数据采集时，传感器节点内部器件受损、传感器节点失效或外界突发冲击等情况将会造成传感器节点采集到的果园环境监测数据中出现误差数据，基于此，本实施例簇头节点对簇内各普通成员节点发送的果园环境监测数据进行融合前，先对果园环境监测数据进行筛选处理，剔除不符合有效度条件的果园环境监测数据，可以有效地排除感知过程中的随机干扰，避免误差数据影响数据融合结果的精度，且有利于减少果园环境监测数据的融合量和传输量，进一步节省果园环境监测数据的传输能耗，降低果园种植监测系统的监测成本。

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 (7)

1.基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征是，包括环境监测装置、数据处理中心和用户终端，所述的环境监测装置、用户终端分别与数据处理中心通信连接；所述的环境监测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数据处理中心；所述的数据处理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所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征是，所述的数据处理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数据处理中心与用户终端、环境监测装置之间的数据通信。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，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所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征是，所有传感器节点的感知半径都相同，进行传感器节点的部署时，根据该设定的果园种植监测区域的面积确定需要部署的传感器节点数量的门限下限：

式中，M_min表示需要部署的传感器节点数量的门限下限，A为设定的果园种植监测区域的面积，ξ为实现全面监测所预设的传感器节点覆盖率的门限下限，R_c为部署的传感器节点的通信半径；θ为综合考虑屏蔽和信号衰减对传感器节点通信半径的影响而设置的环境因子，int[·]表示取整函数，用于对的计算结果取整数。

5.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征是，传感器节点覆盖率的门限下限的取值为85％。

6.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征是，传感器节点采用分簇结构进行果园环境监测数据传输：传感器节点通过分簇路由协议确定自己是成为簇头节点还是普通成员节点，其中普通成员节点负责感知监测并将感知到的果园环境监测数据发送至自己的簇头节点，簇头节点负责对簇内各普通成员节点发送的果园环境监测数据进行融合并发送至基站。

7.根据权利要求6所述的基于无线传感器网络的果园种植监测系统，其特征是，所述的分簇路由协议为LEACH路由协议。