CN109067872A - 用于精细农业的土壤质量监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于精细农业的土壤质量监测系统，包括：数据收集模块，用于获取被监测农田的土壤质量监测数据；数据预处理模块，用于对获取的土壤质量监测数据进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；数据管理模块，用于对存储的数据进行管理；数据分析模块，用于将土壤质量监测数据与设定的浓度阈值进行比较并输出比较结果；报警模块，用于接收所述比较结果，并在土壤质量监测数据大于设定的浓度阈值时向设定的用户终端输出报警信息。

Description

用于精细农业的土壤质量监测系统
技术领域
本发明涉及精细农业技术领域，具体涉及用于精细农业的土壤质量监测系统。
背景技术
目前，由于人口急剧增长，工业迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中渗透，大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中，导致了土壤污染，这些土壤污染物妨碍了土壤正常功能，降低了作物产量和质量，还通过粮食，蔬菜，水果等间接影响人体健康，具有极大的危害。
发明内容
针对上述问题，本发明提供用于精细农业的土壤质量监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了用于精细农业的土壤质量监测系统，包括：
数据收集模块，用于获取被监测农田的土壤质量监测数据；
数据预处理模块，用于对获取的土壤质量监测数据进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；
数据管理模块，用于对存储的数据进行管理；
数据分析模块，用于将土壤质量监测数据与设定的浓度阈值进行比较并输出比较结果；
报警模块，用于接收所述比较结果，并在土壤质量监测数据大于设定的浓度阈值时向设定的用户终端输出报警信息。
优选地，所述数据收集模块包括：
汇聚节点和多个采集土壤质量监测数据的传感器节点，汇聚节点与数据预处理模块通信，多个传感器节点通过节点竞选确定簇首并分簇，簇内的传感器节点将采集的土壤质量监测数据传送至对应的簇首，汇聚节点汇总各簇首收集的土壤质量监测数据并发送至数据预处理模块。
优选地，所述数据管理模块包括：
元数据管理单元，用于元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，用于对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，用于根据用户自定义的查询条件实时查询相关数据；
所述相关数据包括所述土壤质量监测数据、所述元数据。
本发明的有益效果为：通过无线传感器网络采集土壤质量监测数据，能够实时将土壤的情况进行记录和分析，在土壤质量监测数据不满足条件时及时预警，实现了精细农业的土壤质量的智能监测。
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是本发明一个示例性实施例的用于精细农业的土壤质量监测系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的数据预处理模块的结构示意框图。
附图标记：
数据收集模块1、数据预处理模块2、数据管理模块3、数据分析模块4、报警模块5、修正处理单元10、修复处理单元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，本发明实施例提供了用于精细农业的土壤质量监测系统，包括：
数据收集模块1，用于获取被监测农田的土壤质量监测数据；
数据预处理模块2，用于对获取的土壤质量监测数据进行预处理，并发送至数据管理模块3处进行存储；
数据管理模块3，用于对存储的数据进行管理；
数据分析模块4，用于将土壤质量监测数据与设定的浓度阈值进行比较并输出比较结果；
报警模块5，用于接收所述比较结果，并在土壤质量监测数据大于设定的浓度阈值时向设定的用户终端输出报警信息。
其中，所述数据收集模块1包括汇聚节点和多个采集土壤质量监测数据的传感器节点，汇聚节点与数据预处理模块2通信。
在一种可能实现的方式中，所述数据管理模块3包括：
元数据管理单元，用于元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，用于对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，用于根据用户自定义的查询条件实时查询相关数据；
所述相关数据包括所述土壤质量监测数据、所述元数据。
在一个实施例中，如图2所示，数据预处理模块2包括修正处理单元10和修复处理单元20，修正处理单元10用于对获取的土壤质量监测数据进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理；修复处理单元20用于对土壤质量监测数据进行缺失检测，并对检测出的缺失序列进行数据填补。
本发明上述实施例通过无线传感器网络采集土壤质量监测数据，能够实时将土壤的情况进行记录和分析，在土壤质量监测数据不满足条件时及时预警，实现了精细农业的土壤质量的智能监测。
其中，各传感器节点在网络拓扑构建阶段被分为多个簇，每个簇设有一个簇首，所述汇聚节点从多个簇首中选出一个作为第一辅助节点，每个簇首选择簇内的一个传感器节点作为第二辅助节点；在数据传输阶段，每个分簇内的传感器节点在第二辅助节点、对应簇首之间选择距离最近的作为目的节点，将采集的土壤质量监测数据发送至目的节点；每个目的节点将收集的土壤质量监测数据发送至第一辅助节点或者汇聚节点；所述第一辅助节点接收的土壤质量监测数据量达到其缓存极限时，第一辅助节点将接收的所有土壤质量监测数据汇总发送至所述汇聚节点。
本实施例创新性地设置了第一辅助节点、第二辅助节点，通过该设置，避免了簇内所有传感器节点直接将土壤质量监测数据发送至对应簇首，也避免了所有簇首直接将土壤质量监测数据发送至汇聚节点，从而减少了通信开销，降低数据拥塞程度。
在一个实施例中，若目的节点与所述第一辅助节点距离较近，所述目的节点将收集的土壤质量监测数据发送至第一辅助节点，若目的节点与所述汇聚节点距离较近，所述目的节点则直接将接收的土壤质量监测数据发送至该汇聚节点。
在一种能够实现的方式中，网络中各传感器节点的初始能量不相同，其中各传感器节点的能量分布在[G0,(1+w)G0]范围内，G0为网络中初始能量值最小的传感器节点的初始能量，(1+w)G0为网络中初始能量值最大的传感器节点的初始能量；选择第一辅助节点，包括：
(1)汇聚节点向每个簇首广播选举消息，收到选举消息的簇首将自身的位置和当前剩余能量信息发送至汇聚节点，汇聚节点根据位置信息统计位于各簇首通信范围内的簇首数量，并根据该簇首数量由多到少的顺序对各簇首进行排序，形成簇首列表；汇聚节点从所述簇首列表中选择簇首数量大于的簇首作为备选节点，其中nmax为位于各簇首通信范围内的簇首数量中的最大值，nmin为位于各簇首通信范围内的簇首数量中的最小值；
(2)汇聚节点按照下列公式计算各备选节点的状态值，将状态值最大的备选节点作为第一辅助节点，并广播至各簇首：
式中，Fi为簇首i的状态值，Gi为簇首i的当前剩余能量，Si,o为簇首i与汇聚节点的距离，Sj,o为第j个簇首与汇聚节点的距离，N为网络中的簇首数量；y1、y2为预设的权重系数。
本实施例设置了第一辅助节点的确定机制，该机制中通过挑选邻居簇首数量较多的簇首作为备选节点，有利于保障较多的簇首能够与第一辅助节点通信，从而充分发挥第一辅助节点的功效，避免因其余簇首与第一辅助节点皆相距较远而带来无谓的能量消耗。
本实施例进一步设置了备选节点的状态值计算公式，根据该计算公式确定各备选节点的状态值，并选择状态值最大的备选节点作为第一辅助节点，使得选出的第一辅助节点有足够的能量处理土壤质量监测数据收集任务，并进一步降低第一辅助节点与汇聚节点之间的通信开销。
在一种能够实现的方式中，所述每个簇首选择簇内的一个传感器节点作为第二辅助节点，包括：
(1)簇首比较其与第一辅助节点、汇聚节点的距离，在第一辅助节点和汇聚节点中确定距离最近节点，并将所述距离最近节点的身份信息和位置信息广播至簇内各传感器节点；
(2)簇内各传感器节点计算自身的优势值，并将优势值反馈至对应的簇首；
其中，设定优势值的计算公式为：
式中，Hia为簇首i所在簇内的传感器节点a的优势值，Si,a为簇首i与传感器节点a的距离，Sa,o′为传感器节点a与簇首i确定的距离最近节点的距离，Si,o′为簇首i与其确定的距离最近节点的距离，w为设定的距离权重系数，w∈(0,1)；Dia为位于传感器节点3通信范围内的传感器节点个数，Ci为簇首i的簇内传感器节点个数，e1、e2为预设的权重系数，且e1+e2＝1；
(3)簇首根据簇内各传感器节点的优势值计算优势值平均值，将优势值大于该优势值平均值的传感器节点作为候选节点，并构建候选节点列表；
(4)簇首在候选节点列表中选择当前剩余能量最大的候选节点作为第二辅助节点。
本实施例提出了第二辅助节点的选择机制，其中创新性地设定了传感器节点优势值的计算公式，该计算公式使得与距离最近节点相距较近的、节点度数较大的传感器节点具有更大的概率，以当选候选节点。
本实施例中，簇首只在构建的候选节点列表中选取第二辅助节点，有利于保障选出的第二辅助节点能够有效承担土壤质量监测数据收集的任务，并且有利于降低土壤质量监测数据收集、以及将土壤质量监测数据传输至距离最近节点的能耗。
在一种能够实现的方式中，簇首按照预设的轮换周期对第二辅助节点进行更新，以完成第二辅助节点的轮换，具体为：簇首计算候选节点列表中各候选节点的权值；簇首将权值最大的候选节点作为新的第二辅助节点，并广播至簇内各传感器节点，先前的第二辅助节点则成为普通的传感器节点。其中，所述权值的计算公式为：
式中，6b为候选节点b的权值，Gb为候选节点b的当前剩余能量，Gb0为候选节点b的初始能量，(1+w)G0为网络中初始能量值最大的传感器节点的初始能量，Vb为所述候选节点b到目前为止充当第二辅助节点的次数，Vmax为预设的次数阈值，Z为预设的衰减因子，用于表示充当第二辅助节点次数对权值的影响程度。
本实施例在此提出了第二辅助节点的轮换机制，其中将能量、充当第二辅助节点次数作为权值计算的标准，创新性地设定了权值的计算公式。通过定期将权值最大的候选节点作为新的第二辅助节点，避免了因多次将同一候选节点作为第二辅助节点而使得第二辅助节点的能量快速消耗，有利于均衡各备选节点的能量消耗，进而提高土壤质量监测数据采集和传输的可靠性。
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.用于精细农业的土壤质量监测系统，其特征是，包括：
数据收集模块，用于获取被监测农田的土壤质量监测数据；
数据预处理模块，用于对获取的土壤质量监测数据进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；
数据管理模块，用于对存储的数据进行管理；
数据分析模块，用于将土壤质量监测数据与设定的浓度阈值进行比较并输出比较结果；
报警模块，用于接收所述比较结果，并在土壤质量监测数据大于设定的浓度阈值时向设定的用户终端输出报警信息；
其中，所述数据收集模块包括汇聚节点和多个采集土壤质量监测数据的传感器节点，汇聚节点与数据预处理模块通信；各传感器节点在网络拓扑构建阶段被分为多个簇，每个簇设有一个簇首，所述汇聚节点从多个簇首中选出一个作为第一辅助节点，每个簇首选择簇内的一个传感器节点作为第二辅助节点；在数据传输阶段，每个分簇内的传感器节点在第二辅助节点、对应簇首之间选择距离最近的作为目的节点，将采集的土壤质量监测数据发送至目的节点；每个目的节点将收集的土壤质量监测数据发送至第一辅助节点或者汇聚节点；所述第一辅助节点接收的土壤质量监测数据量达到其缓存极限时，第一辅助节点将接收的所有土壤质量监测数据汇总发送至所述汇聚节点。
2.根据权利要求1所述的用于精细农业的土壤质量监测系统，其特征是，所述数据管理模块包括：
元数据管理单元，用于元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，用于对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，用于根据用户自定义的查询条件实时查询相关数据；
所述相关数据包括所述土壤质量监测数据、所述元数据。
3.根据权利要求1或2所述的用于精细农业的土壤质量监测系统，其特征是，数据预处理模块包括修正处理单元，修正处理单元用于对获取的土壤质量监测数据进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理。
4.根据权利要求3所述的用于精细农业的土壤质量监测系统，其特征是，数据预处理模块还包括修复处理单元，修复处理单元用于对土壤质量监测数据进行缺失检测，并对检测出的缺失序列进行数据填补。
5.根据权利要求1所述的用于精细农业的土壤质量监测系统，其特征是，所述传感器节点包括土壤重金属传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器、土壤PH传感器、土壤盐分传感器、地下水重金属传感器、地下水温度传感器中的一种或多种传感器。
6.根据权利要求1所述的用于精细农业的土壤质量监测系统，其特征是，网络中各传感器节点的初始能量不相同，其中各传感器节点的能量分布在[G0，(1+w)G0]范围内，G0为网络中初始能量值最小的传感器节点的初始能量，(1+w)G0为网络中初始能量值最大的传感器节点的初始能量；选择第一辅助节点，包括：
(1)汇聚节点向每个簇首广播选举消息，收到选举消息的簇首将自身的位置和当前剩余能量信息发送至汇聚节点，汇聚节点根据位置信息统计位于各簇首通信范围内的簇首数量，并根据该簇首数量由多到少的顺序对各簇首进行排序，形成簇首列表；汇聚节点从所述簇首列表中选择簇首数量大于的簇首作为备选节点，其中nmax为位于各簇首通信范围内的簇首数量中的最大值，nmin为位于各簇首通信范围内的簇首数量中的最小值；
(2)汇聚节点按照下列公式计算各备选节点的状态值，将状态值最大的备选节点作为第一辅助节点，并广播至各簇首：
式中，Fi为簇首i的状态值，Gi为簇首i的当前剩余能量，Si，o为簇首i与汇聚节点的距离，Sj，o为第j个簇首与汇聚节点的距离，N为网络中的簇首数量；y1、y2为预设的权重系数。
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