CN109102421A - 一种农田土壤质量智能可靠监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农田土壤质量智能可靠监测系统，包括：参数采集模块，用于对反应农田环境情况的土壤质量参数进行采集，并将采集得到的土壤质量参数发送至预处理模块；预处理模块，被配置为对接收的土壤质量参数进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；比较模块，被配置为将土壤质量参数与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；报警模块，被配置为接收所述比较结果，并在土壤质量参数大于设定的安全阈值时向设定的用户终端输出报警信息。

Description

一种农田土壤质量智能可靠监测系统

技术领域

本发明涉及农田监测技术领域，具体涉及一种农田土壤质量智能可靠监测系统。

背景技术

现有技术中，信息化技术在推动农业的发展上越来越受到重视。无线传感器网络是实现农业信息化的重要手段，无线传感器网络技术集传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，能够通过各类微型传感器节点间的协作、实时感知和采集被监测对象的信息。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种农田土壤质量智能可靠监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种农田土壤质量智能可靠监测系统，包括：

参数采集模块，用于对反应农田环境情况的土壤质量参数进行采集，并将采集得到的土壤质量参数发送至预处理模块；

预处理模块，被配置为对接收的土壤质量参数进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；

数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；

比较模块，被配置为将土壤质量参数与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；

报警模块，被配置为接收所述比较结果，并在土壤质量参数大于设定的安全阈值时向设定的用户终端输出报警信息。

优选地，所述数据管理模块包括：

元数据管理子模块，被配置为元数据的添加、删除和更新；

数据融合子模块，被配置为对相关数据进行融合处理；

数据查询子模块，被配置为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参数、所述元数据。

本发明的有益效果为：实现了农田土壤质量的监测，能够实时将土壤的情况进行记录和分析，在土壤质量参数不满足条件时及时预警，提高了农田监测的自动化程度以及数据采集精度。

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一种农田土壤质量智能可靠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预处理模块的结构示意框图。

附图标记：

参数采集模块1、预处理模块2、数据管理模块3、比较模块4、报警模块5、数据修正单元10、数据填补单元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一种农田土壤质量智能可靠监测系统，包括：

参数采集模块1，用于对反应农田环境情况的土壤质量参数进行采集，并将采集得到的土壤质量参数发送至预处理模块；预处理模块2，被配置为对接收的土壤质量参数进行预处理，并发送至数据管理模块3处进行存储；数据管理模块3，被配置为对存储的数据进行管理；比较模块4，被配置为将土壤质量参数与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；报警模块5，被配置为接收所述比较结果，并在土壤质量参数大于设定的安全阈值时向设定的用户终端输出报警信息。

其中，所述参数采集模块1包括单个基站、单个汇聚节点和多个传感器节点，传感器节点部署于设定的监测区域内；网络初始化时，将传感器节点划分为多个簇组，并从每个簇组中选取一个簇头，其中在每一轮通信开始之前都要对簇头重新进行选择；传感器节点采集所监测位置的土壤质量参数，并将土壤质量参数单跳发送至对应的簇头；簇头负责簇内土壤质量参数的接收和处理，并将处理后的土壤质量参数发送至汇聚节点，以由汇聚节点将土壤质量参数传输到基站，基站将接收的土壤质量参数发送至预处理模块2。

在一种可能实现的方式中，所述数据管理模块3包括：

元数据管理子模块，被配置为元数据的添加、删除和更新；

数据融合子模块，被配置为对相关数据进行融合处理；

数据查询子模块，被配置为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参数、所述元数据。

在一种能够实现的方式中，如图2所示，预处理模块2包括数据修正单元10和数据填补单元20，数据修正单元10被配置为对接收的土壤质量参数进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理；数据填补单元20被配置为对土壤质量参数进行缺失检测，并对检测出的缺失序列进行数据填补。

本发明上述实施例设计的农田土壤质量智能可靠监测系统，实现了农田土壤质量的监测，能够实时将土壤的情况进行记录和分析，在土壤质量参数不满足条件时及时预警，提高了农田监测的自动化程度以及数据采集精度。

在一种能够实现的方式中，传感器节点发送能耗采用自由空间损耗模型，而簇头与汇聚节点之间进行通信时采用多径衰减模型；所述的将传感器节点划分为多个簇组，包括：

(1)将设定的监测区域平均划分为Z个子区域；

其中按照下列公式确定Z：

式中，e₁为基于自由空间损耗模型的功放能耗系数，e₂为基于多径衰减模型的功放能耗系数，N为部署的传感器节点个数，K为所述监测区域的面积，L_o为传感器节点到汇聚节点的平均距离；int为取整函数；

(2)按照下列公式计算每个子区域的重心位置，选择距离重心位置最近的传感器节点作为簇组中心：

式中，B_i表示第i个子区域的重心位置，i＝1,…,Z，x(j)表示所述第i个子区域中第j个传感器节点所在位置的横坐标，y(j)为所述第j个传感器节点所在位置的纵坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，n_i为所述第i个子区域具有的传感器节点个数；

(3)基于选择好的Z个簇组中心，对所有传感器节点进行分簇，各传感器节点加入到距离最近的簇组中心对应的簇组内，从而完成簇组的初始化。

现有技术中对传感器节点进行分簇时，初始簇组中心是随机选择的，分簇的效果依赖于初始簇组中心的选择，不均衡的簇组中心分布会导致分簇结果陷入局部最优。本实施例提出了一种新的簇组划分机制，该机制通过将监测区域平均划分为多个子区域，并选择距离每个子区域重心位置最近的传感器节点作为簇组中心。本实施例能够保证初始的簇组中心尽量均匀地分布在整个监测区域内，提升了分簇结果的全局最优性能。

簇组数与网络内传感器节点的能耗息息相关，本实施例基于监测区域的实际情况以及传感器节点的部署情况，还设计了监测区域划分成子区域的数目的计算公式，根据该计算公式确定子区域的数目，相对于随机设定的方式，优化了簇组数，有利于节省网内传感器节点的能耗。

在一个实施例中，所述从每个簇组中选取一个簇头，包括：

(1)设置簇头选取轮数为计算簇组内各传感器节点在当前轮次担任簇头的概率，并按照概率由大到小的顺序对各传感器节点进行排序；

其中，所述概率的计算公式设定为：

式中，Q_ad(s)为第a个簇组内任意传感器节点d在第s轮通信过程中担任簇头的概率，当簇组内所有传感器节点在之前的通信过程中都担任过一次簇头后，s将被重置为1，在接下来的通信过程中s逐渐增长到μ_a为所述第a个簇组具有的传感器节点个数；当所述传感器节点d在过去s轮通信过程中担任过簇头时，f_d(s)＝0.5，所述传感器节点j在过去s轮通信过程中未担任过簇头时，f_d(s)＝1；P_d为所述传感器节点d的当前剩余能量，P_r为所述第a个簇组内第r个传感器节点的当前剩余能量，n_a为所述第a个簇组内具有的传感器节点数量，C_d为所述传感器节点d与第a个簇组内所有传感器节点的距离和，C_r为所述第r个传感器节点与第a个簇组内所有传感器节点的距离和；h₁、h₂为预设的权重系数；

(2)将排序最前的传感器节点作为备选簇头，预测其作为簇头的总能耗，若该总能耗不超过预设的最大能耗阈值P_max，则直接选择该备选簇头担任本轮次的簇头，否则重新选择下一位的传感器节点作为备选簇头，直至选择的备选簇头的总能耗不超过4_max；

设定总能耗的预测公式为：

式中，为预测的备选簇头y担任新簇头后的总能耗，y＝1,2，为备选簇头y所在簇内的传感器节点数量，P₀为设定的簇头接收和处理单位土壤质量参数的能耗，L_y,o为所述备选簇头y到汇聚节点的距离，P_P为电路能耗参数，e₁为基于自由空间损耗模型的功放能耗系数，e₂为基于多径衰减模型的功放能耗系数，L_w,y为备选簇头y所在簇内的第w个传感器节点到所述备选簇头y的距离。

本实施例提出了一种新的簇头选择机制，该机制中先计算簇组内各传感器节点在当前轮次担任簇头的概率，然后选择概率最大及概率次大的传感器节点作为备选簇头，并进一步预测备选簇头担任簇头的总能耗，最后选择总能耗满足阈值条件的备选簇头作为当前轮次的簇头。其中本实施例创新性地提出了所述概率的计算公式，根据该计算公式，当前能量较多、未担任过簇头、与簇内其他传感器节点距离较近的传感器节点具有更大的概率。

本实施例基于能量的基础上，相对于现有技术还考虑了传感器节点担任簇头的经历情况，有利于保持传感器节点之间的能耗均衡性。

本实施例相对于现有技术还考虑了传感器节点在簇内的位置情况，有利于保证簇内传感器节点与簇头的总能耗最小；通过预测备选簇头担任簇头时的总能耗，并选择总能耗不超过预设的最大能耗阈值的备选簇头作为最终的簇头，能够避免传感器节点因担任簇头而大量消耗能量。

本实施例在每一轮通信开始之前都选择最合适的传感器节点担任簇头，有效保证了簇头工作的稳定性和整个网络的可靠性，有利于实现农田土壤质量的可靠监测。

在一个实施例中，汇聚节点定期获取每个传感器节点的能量信息，并根据能量信息检测每个簇组是否满足能量警告条件，若存在簇组满足能量警告条件，汇聚节点向该簇组对应的簇头发送分簇指令，所述分簇指令包括该簇组的传感器节点平均能量4_avg；该对应的簇头接收到分簇指令后，在其簇内的剩余能量大于4_avg的传感器节点中选择相距最远的传感器节点作为另一簇头，簇内的其余传感器节点在簇组的两个簇头中重新选择距离最近的簇头加入，从而该簇组被划分为两个簇组；

所述能量警告条件设定为：

式中，P_α表示簇组β中的第α个传感器节点，n_β为所述簇组β中的传感器节点数量，P_max为所述最大能耗阈值。

本实施例在簇组内的传感器节点的能量满足能量警告条件时，创新性地通过增加分簇的数量的方式减少每个簇组内的传感器节点数量。本实施例能够在能量不足时有效降低簇头传输的土壤质量参数量，从而有效降低簇头的能耗，从而保证系统通信的正常运行，有效延长土壤质量参数传输工作的周期。

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)

1.一种农田土壤质量智能可靠监测系统，其特征是，包括：

参数采集模块，用于对反应农田环境情况的土壤质量参数进行采集，并将采集得到的土壤质量参数发送至预处理模块；

预处理模块，被配置为对接收的土壤质量参数进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；

数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；

比较模块，被配置为将土壤质量参数与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；

报警模块，被配置为接收所述比较结果，并在土壤质量参数大于设定的安全阈值时向设定的用户终端输出报警信息；

其中，所述参数采集模块包括单个基站、单个汇聚节点和多个传感器节点，传感器节点部署于设定的监测区域内；网络初始化时，将传感器节点划分为多个簇组，并从每个簇组中选取一个簇头，其中在每一轮通信开始之前都要对簇头重新进行选择；传感器节点采集所监测位置的土壤质量参数，并将土壤质量参数单跳发送至对应的簇头；簇头负责簇内土壤质量参数的接收和处理，并将处理后的土壤质量参数发送至汇聚节点，以由汇聚节点将土壤质量参数传输到基站，基站将接收的土壤质量参数发送至预处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种农田土壤质量智能可靠监测系统，其特征是，所述数据管理模块包括：

元数据管理子模块，被配置为元数据的添加、删除和更新；

数据融合子模块，被配置为对相关数据进行融合处理；

数据查询子模块，被配置为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参数、所述元数据。

3.根据权利要求1或2所述的一种农田土壤质量智能可靠监测系统，其特征是，预处理模块包括数据修正单元，数据修正单元被配置为对接收的土壤质量参数进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理。

4.根据权利要求3所述的一种农田土壤质量智能可靠监测系统，其特征是，预处理模块还包括数据填补单元，数据填补单元被配置为对土壤质量参数进行缺失检测，并对检测出的缺失序列进行数据填补。

5.根据权利要求1所述的一种农田土壤质量智能可靠监测系统，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、土壤酸碱度传感器、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所述的一种农田土壤质量智能可靠监测系统，其特征是，传感器节点发送能耗采用自由空间损耗模型，而簇头与汇聚节点之间进行通信时采用多径衰减模型；所述的将传感器节点划分为多个簇组，包括：

(1)将设定的监测区域平均划分为Z个子区域；

其中按照下列公式确定Z：

式中，e₁为基于自由空间损耗模型的功放能耗系数，e₂为基于多径衰减模型的功放能耗系数，N为部署的传感器节点个数，K为所述监测区域的面积，L_o为传感器节点到汇聚节点的平均距离；int为取整函数；

(2)按照下列公式计算每个子区域的重心位置，选择距离重心位置最近的传感器节点作为簇组中心：

式中，B_i表示第i个子区域的重心位置，i＝1,…,Z，x(j)表示所述第i个子区域中第j个传感器节点所在位置的横坐标，y(j)为所述第j个传感器节点所在位置的纵坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，n_i为所述第i个子区域具有的传感器节点个数；

(3)基于选择好的Z个簇组中心，对所有传感器节点进行分簇，各传感器节点加入到距离最近的簇组中心对应的簇组内，从而完成簇组的初始化。