CN108449729A - 一种用于智能农业的果园环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于智能农业的果园环境监测系统，包括环境监测无线传感器网络、数据处理装置和用户终端，所述的环境监测无线传感器网络、用户终端分别与数据处理装置通信连接；所述的环境监测无线传感器网络包括基站和多个部署于设定的果园种植果园环境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参数的无线传感器网络；传感器节点采集的果园环境参数最终传送到基站，进而由基站将接收到的果园环境参数传送到数据处理装置；所述的数据处理装置用于存储果园环境参数和其他果园信息数据，并用于对果园环境参数进行分析处理。本发明实现了果园种植的实时监测。

Description

一种用于智能农业的果园环境监测系统

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种用于智能农业的果园环境监测系统。

背景技术

在果树种植过程中，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，本发明提供一种用于智能农业的果园环境监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种用于智能农业的果园环境监测系统，包括环境监测无线传感器网络、数据处理装置和用户终端，所述的环境监测无线传感器网络、用户终端分别与数据处理装置通信连接；所述的环境监测无线传感器网络包括基站和多个部署于设定的果园种植果园环境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参数的无线传感器网络；传感器节点采集的果园环境参数最终传送到基站，进而由基站将接收到的果园环境参数传送到数据处理装置；所述的数据处理装置用于存储果园环境参数和其他果园信息数据，并用于对果园环境参数进行分析处理。

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数据处理装置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是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装置的结构示意框图。

附图标记：

环境监测无线传感器网络1、数据处理装置2、用户终端3、数据存储单元10、数据处理单元20、通信单元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，本实施例提供的一种用于智能农业的果园环境监测系统，包括环境监测无线传感器网络1、数据处理装置2和用户终端3，所述的环境监测无线传感器网络1、用户终端3分别与数据处理装置2通信连接。

环境监测无线传感器网络1包括基站和多个部署于设定的果园种植果园环境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参数的无线传感器网络。传感器节点采集的果园环境参数最终传送到基站，进而由基站将接收到的果园环境参数传送到数据处理装置2。可选地，传感器节点包括传感器、信号调理电路、微处理器、存储器、射频无线模块和电源模块，电源模块为微处理器供电，传感器连接到信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端与微处理器的I/O接口相连接，该微处理器还通过I/O接口与射频无线模块和存储器相连接。

数据处理装置2用于存储果园环境参数和其他果园信息数据，并用于对果园环境参数进行分析处理。

其中，用户终端3可以通过访问数据处理装置2查看果园环境参数以及对果园环境参数的分析处理结果。

在一个实施例中，如图2所示，所述的数据处理装置2包括数据存储单元10、数据处理单元20、通信单元30；所述的数据存储单元10用于存储果园环境参数和其他果园信息数据；所述的数据处理单元20用于将果园环境参数与预设的标准阈值进行比较，输出异常的果园环境参数；所述通信单元30用于实现数据处理装置2与用户终端3、环境监测无线传感器网络1之间的数据通信。其中，果园环境参数为异常指的是该果园环境参数超出预设的标准阈值。

可选地，所述果园环境参数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数据处理装置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，传感器节点构成的无线传感器网络为分簇拓扑结构，部署的传感器节点根据节点地理位置被划分为N个簇，每个簇基于设定的分簇路由协议选择一个传感器节点作为簇头，其余传感器节点为成员节点，其中簇头用于收集其簇内各成员节点采集的果园环境参数。

优选地，每个簇基于设定的分簇路由协议选择一个传感器节点作为簇头，具体包括：

(1)基站以最大功率向网络内广播信标信息，其中所述信标信息包括由基站设定的各传感器节点接收信标信息的理论信号强度，网络内各传感器节点记录收到基站信标信息的实际信号强度；

(2)网络内传感器节点以初始设置的概率成为候选簇头，候选簇头计算自身的优选值，然后以最大功率广播自己是簇头的消息，在设定时间内若收到另外一个优选值更大的候选簇头广播的消息，则放弃簇头的竞争，否则自己成为簇头；

(3)当选为簇头的传感器节点对外广播自己是簇头的消息，其他传感器节点根据信号强度来决定加入某一个簇，并向簇头发送加入消息。

本实施例提出了一种新的簇头竞选机制，该机制中，网络内传感器节点以初始设置的概率成为候选簇头，然后以最大功率广播自己是簇头的消息，在设定时间内若收到另外一个优选值更大的候选簇头广播的消息，则放弃簇头的竞争，否则自己成为簇头。

在一个实施例中，所述优选值的计算公式为：

式中，表示传感器节点D_α的优选值，为传感器节点D_α的当前剩余能量，为传感器节点D_α的初始能量，为传感器节点D_α的通信距离，S(D_α,O)为传感器节点D_α与基站的距离，为传感器节点D_α收到基站信标信息的实际信号强度，为由基站设定的传感器节点D_α接收信标信息的理论信号强度，λ₁、λ₂为设定的权重系数，满足λ₁+λ₂＝1；为设定的取值函数，当时，当时，

现有技术中在进行候选簇头的竞争时，惯用的手段是直接采用当前剩余能量最大的候选簇头作为簇头，这种方式并没有考虑到簇头在通信稳定性方面的能力，而簇头在通信稳定性方面的能力会影响到果园环境参数传输的质量，例如簇头离基站越远时，簇头收集的果园环境参数在传输过程中发生丢失的概率也就越大，而且时间和能量的花费也更大。而本实施例通过优选值大小进行候选簇头的竞争，并相应地定义了优选值的计算公式。该计算公式综合考虑了传感器节点的能量、到基站距离的因素，并创造性地根据传感器节点接收信标信息的实际信号强度与理论信号强度的差别设计了用于距离的加权系数，使得优选值更能准确的衡量传感器节点在通信稳定性方面的能力。

本实施例能够选到综合能力更优的簇头，从而提高了分簇拓扑结构的稳定性和果园环境参数传输的质量，进一步节省传输果园环境参数的能量，降低果园环境监测系统的监测成本。

在一个实施例中，簇头接收簇内成员节点发送的果园环境参数，若簇内一成员节点发送的果园环境参数超过设定的数据阈值范围，簇头对超过设定的数据阈值范围的果园环境参数进行故障检测，并对检测为故障的果园环境参数进行剔除处理。

其中，簇头对超过设定的数据阈值范围的果园环境参数进行故障检测，具体为：

(1)设成员节点D_a在t时刻采集到的超过设定的数据阈值范围的果园环境参数为成员节点D_a的簇头为CH_a，簇头CH_a获取成员节点D_a的在同一簇内的邻居节点列表以及各邻居节点在t时刻采集到的果园环境参数 为成员节点D_a在同一簇内的邻居节点数量，表示成员节点D_a的在同一簇内的第b个邻居节点在t时刻采集到的果园环境参数；

(2)簇头对Φ中超过设定的数据阈值范围的果园环境参数进行剔除，得到 其中为剔除处理后Φ′中具有的果园环境参数个数，为Φ′中第6个邻居节点在t时刻采集到的果园环境参数；

(3)计算Φ′中的果园环境参数对应的邻居节点的权重系数，设表示Φ′中的第6个果园环境参数对应的邻居节点D_c的权重系数，的计算公式为：

式中，为邻居节点D_c的当前剩余能量，为邻居节点D_c的初始能量，S(D_a,D_c)为成员节点D_a与邻居节点D_c的距离，S(D_a,D_g)为成员节点D_a与Φ′中的第g个果园环境参数对应的邻居节点D_g的距离；

(4)计算针对的比较数据：

(5)若 为设定的数据阈值，则判定为故障果园环境参数。

本实施例中故障的果园环境参数指的是果园环境参数不能反映监测对象的真实状态而明显偏离预先定义的正常果园环境参数。这些故障的果园环境参数的存在，将严重影响了整个果园环境参数集的数据质量。本实施例对超过设定的数据阈值范围进行故障检测，并对检测为故障的果园环境参数进行剔除处理，提高了果园环境参数集的质量，增强了数据分析的鲁棒性，提高网络资源使用的效率，且避免了因故障的果园环境参数不必要的传输而降低能量的消耗。

本实施例创新性地提出了针对果园环境参数的故障检测机制，由于传感器节点采集的果园环境参数与其邻居节点采集的果园环境参数具有较大的时空关联性，该机制利用这种时空关联性，基于距离和能量因素对邻居节点的果园环境参数进行加权，计算出比较数据，通过计算待检测的果园环境参数与比较数据之间的差值是否在一定的阈值范围内，来判断该待检测的果园环境参数是否为故障的果园环境参数，该机制具有较高的检测精度和鲁棒性。

在一个实施例中，若簇头检测出簇内一成员节点发送的果园环境参数为故障的果园环境参数，簇头对该成员节点进行无效检测，判定该成员节点是否为无效节点，进行簇头将无效节点上报至基站。其中，簇头对发送故障的果园环境参数的成员节点进行无效检测，具体包括：

(1)设发送故障的果园环境参数的成员节点为D_i，对应簇头为CH_i，簇头CH_i向成员节点D_i发送消息，接收成员节点D_i根据所述消息发送的反馈信息，所述的反馈信息包括成员节点D_i的位置信息、当前剩余能量以及接收到所述消息的时间

(2)簇头根据反馈信息计算成员节点D_i的故障率，设表示成员节点D_i的故障率，的计算公式为：

式中，S(D_i,CH_i)为成员节点D_i与其簇头CH_i之间的距离，Z为设定的单位距离通信时间；R₀为由专家设定的传感器节点的历史故障概率，R₁为设定的能量故障概率，R₀+R₁<1且R₀＞2R₁；为设定的取值函数，当时， 当时，W_min为设定的传感器节点维持工作的最小能量值，为设定的取值函数，当时， 当时，

(3)设定故障率阈值R_max，若或者采集的果园环境参数为故障的果园环境参数的数量超过设定的数量阈值，则判定成员节点D_i为无效节点。

本实施例创造性地提出了无效节点的判定机制，该机制根据成员节点反馈消息的情况以及能量因素设计了基于通信质量和能量加权的成员节点故障率的计算公式。

根据该计算公式可知，通信质量不高、剩余能量过低的成员节点具有更大的故障率。本实施例提出的判定机制能够较好地判别出现问题的成员节点，有效性和可行性高。

本实施例对发送故障的果园环境参数的成员节点进行无效检测，并将无效节点上报至基站进行处理，能够避免无效节点对环境监测无线传感器网络1的运行造成不利的影响。

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)

1.一种用于智能农业的果园环境监测系统，其特征是，包括环境监测无线传感器网络、数据处理装置和用户终端，所述的环境监测无线传感器网络、用户终端分别与数据处理装置通信连接；所述的环境监测无线传感器网络包括基站和多个部署于设定的果园种植果园环境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参数的无线传感器网络；传感器节点采集的果园环境参数最终传送到基站，进而由基站将接收到的果园环境参数传送到数据处理装置；所述的数据处理装置用于存储果园环境参数和其他果园信息数据，并用于对果园环境参数进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种用于智能农业的果园环境监测系统，其特征是，所述的数据处理装置包括数据存储单元、数据处理单元和通信单元；所述的数据存储单元用于存储果园环境参数和其他果园信息数据；所述的数据处理单元用于将果园环境参数与预设的标准阈值进行比较，输出异常的果园环境参数；所述通信单元用于实现数据处理装置与用户终端、环境监测无线传感器网络之间的数据通信。

3.根据权利要求2所述的一种用于智能农业的果园环境监测系统，其特征是，所述果园环境参数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1-3任一项所述的一种用于智能农业的果园环境监测系统，其特征是，传感器节点构成的无线传感器网络为分簇拓扑结构，部署的传感器节点根据节点地理位置被划分为N个簇，每个簇基于设定的分簇路由协议选择一个传感器节点作为簇头，其余传感器节点为成员节点，其中簇头用于收集其簇内各成员节点采集的果园环境参数。

5.根据权利要求4所述的一种用于智能农业的果园环境监测系统，其特征是，簇头接收簇内成员节点发送的果园环境参数，若簇内一成员节点发送的果园环境参数超过设定的数据阈值范围，簇头对超过设定的数据阈值范围的果园环境参数进行故障检测，并对检测为故障的果园环境参数进行剔除处理。

6.根据权利要求5所述的一种用于智能农业的果园环境监测系统，其特征是，簇头对超过设定的数据阈值范围的果园环境参数进行故障检测，具体为：

(1)设成员节点D_a在t时刻采集到的超过设定的数据阈值范围的果园环境参数为成员节点D_a的簇头为CH_a，簇头CH_a获取成员节点D_a的在同一簇内的邻居节点列表以及各邻居节点在t时刻采集到的果园环境参数 为成员节点D_a在同一簇内的邻居节点数量，表示成员节点D_a的在同一簇内的第b个邻居节点在t时刻采集到的果园环境参数；

(2)簇头对Φ中超过设定的数据阈值范围的果园环境参数进行剔除，得到 其中为剔除处理后Φ＇中具有的果园环境参数个数，为Φ＇中第c个邻居节点在t时刻采集到的果园环境参数；

(3)计算Φ＇中的果园环境参数对应的邻居节点的权重系数，设表示Φ′中的第c个果园环境参数对应的邻居节点D_c的权重系数，的计算公式为：

式中，为邻居节点D_c的当前剩余能量，为邻居节点D_c的初始能量，S(D_a,D_c)为成员节点D_a与邻居节点D_c的距离，S(D_a,D_g)为成员节点D_a与Φ′中的第g个果园环境参数对应的邻居节点D_g的距离；

(4)计算针对的比较数据：

(5)若 为设定的数据阈值，则判定为故障果园环境参数。