CN109195130A - 高精度低成本的农田环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了高精度低成本的农田环境监测系统，包括环境检测模块和远程终端，所述环境检测模块用于对反应农田环境情况的参数指标进行采集，并通过无线传感器网络将采集得到的指标数据发送至远程终端；所述远程终端包括数据存储单元、异常报警单元和界面显示单元，所述数据存储单元用于对接收到的指标数据进行存储，所述异常报警单元用于当反应农田环境的指标数据低于安全阈值时进行报警，所述界面显示单元用于显示指标数据。

Description

高精度低成本的农田环境监测系统

技术领域

本发明涉及农田监测技术领域，具体涉及高精度低成本的农田环境监测系统。

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，与传统的数据采集系统相比，无线传感器网络具有监测范围大、指标数据准确的优势。

发明内容

针对上述问题，本发明提供高精度低成本的农田环境监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了高精度低成本的农田环境监测系统，包括环境检测模块和远程终端，所述环境检测模块用于对反应农田环境情况的参数指标进行采集，并通过无线传感器网络将采集得到的指标数据发送至远程终端；所述远程终端包括数据存储单元、异常报警单元和界面显示单元，所述数据存储单元用于对接收到的指标数据进行存储，所述异常报警单元用于当反应农田环境的指标数据低于安全阈值时进行报警，所述界面显示单元用于显示指标数据。

优选地，所述环境检测模块包括汇聚节点和多个采集指标数据的传感器节点，汇聚节点与远程终端通信，多个传感器节点通过节点竞选操作确定簇头并分簇，簇内的传感器节点将采集的指标数据传送至对应的簇头，汇聚节点汇总各簇头收集的指标数据并发送至远程终端。

优选地，所述远程终端还包括异常数据处理单元，异常数据处理单元被配置为对接收的指标数据进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理，将处理后的指标数据发送至数据存储单元。

优选地，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。

本发明的有益效果为：通过无线传感器网络采集反应农田环境情况的参数指标，能够实时将土壤的情况进行记录和分析，在反应农田环境情况的参数指标不满足条件时及时预警，实现了提高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高精度低成本的农田环境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远程终端的结构示意框图。

附图标记：

环境检测模块1、远程终端2、数据存储单元10、异常报警单元20、界面显示单元30、异常数据处理单元40。

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、图2，本发明实施例提供了高精度低成本的农田环境监测系统，包括环境检测模块和远程终端2，所述环境检测模块用于对反应农田环境情况的参数指标进行采集，并通过无线传感器网络将采集得到的指标数据发送至远程终端2；所述远程终端2包括数据存储单元10、异常报警单元20和界面显示单元30，所述数据存储单元10用于对接收到的指标数据进行存储，所述异常报警单元20用于当反应农田环境的指标数据低于安全阈值时进行报警，所述界面显示单元30用于显示指标数据。

其中，所述远程终端2还包括异常数据处理单元40，异常数据处理单元40被配置为对接收的指标数据进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理，将处理后的指标数据发送至数据存储单元10。

在一种能够实现的方式中，所述环境检测模块包括汇聚节点和多个采集指标数据的传感器节点，汇聚节点与远程终端2通信，多个传感器节点通过节点竞选操作确定簇头并分簇，簇内的传感器节点将采集的指标数据传送至对应的簇头，汇聚节点汇总各簇头收集的指标数据并发送至远程终端2。

在一种能够实现的方式中，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。

本发明上述实施例通过无线传感器网络采集反应农田环境情况的参数指标，能够实时将土壤的情况进行记录和分析，在反应农田环境情况的参数指标不满足条件时及时预警，实现了提高农田监测的自动化程度以及数据采集精度。

在一种实施方式中，多个传感器节点基于LEACH路由协议进行分簇。本发明对传感器节点的分簇方式不作限定。

在一个实施例中，传感器节点的感知半径范围为[R₀，R₁]，部署传感器节点时，设置各传感器节点的感知半径相同且初始感知半径为R₀；在分簇后，簇头将自身的感知半径调节为R₁。

在一个实施例中，分簇后，簇头收集簇内各传感器节点的位置信息，并根据位置信息计算簇内各传感器节点的感知强度，若簇内传感器节点的感知强度小于预设感知强度阈值，则该传感器节点成为覆盖盲点；其中，设置感知强度的计算公式为：

式中，Q_ij为簇头i对应簇内传感器节点j的感知强度，n_i为簇头i对应簇内的传感器节点数量，R_k为簇头i对应簇内的第k个传感器节点的当前感知半径，d_kj为簇头i对应簇内的第k个传感器节点与所述传感器节点j之间的距离，k≠j；e为自然常数，μ为预设的信号衰减指数，ρ为预设的环境干扰影响因子；f(d_kj，R_k)为判断取值函数，当d_kj＞R_k时，f(d_kj，R_k)＝0，当d_kj≤R_k时，f(d_kj，R_k)＝1；

当存在覆盖盲点时，簇头对距离所述覆盖盲点最近的传感器节点的感知半径进行调整，具体为：

(1)簇头向当存在覆盖盲点时，簇头向距离所述覆盖盲点最近的传感器节点发送感知半径调整指令；传感器节点接收到所述感知半径调整指令时，将自身的感知半径调整为(1+λ)R_k，λ为预设的调整比例，λ的取值范围为[5％，10％]；

(2)簇头重新计算所述覆盖盲点的感知强度，若该感知强度仍小于预设感知强度阈值，重复(1)，直至簇内不存在覆盖盲点。

传感器节点感知过程中物理信号的能量与其感知目标的距离呈相反趋势变化，主要由于信号在传输过程中的路径衰减等因素导致而成。本实施例根据该规律，设计了传感器节点感知强度的计算公式。传感器节点的感知强度越小，表明其被感知覆盖的概率越小。本实施例将感知强度小于预设感知强度阈值的传感器节点作为覆盖盲点，由簇头通过发送指令的方式对距离所述覆盖盲点最近的传感器节点的感知半径进行增大调整，以达到消除覆盖盲点的目的，从而保障一定的网络覆盖率，使得获取的指标数据能够更加详细精确。

在一个实施例中，簇头按照下列公式计算簇内各传感器节点的权值，将权值最大的传感器节点作为辅助节点，并相应地广播消息至簇内各传感器节点；簇内各传感器节点在簇头和辅助节点中选择距离最近的作为目的节点，并将自身采集的指标数据发送至目的节点；辅助节点接收到的指标数据量达到设定的数据量阈值时，将接收到的指标数据发送至对应的簇头；其中，设定权值的计算公式为：

式中，W_ij为簇头i对应簇内传感器节点j的权值，Q_ij为所述传感器节点j的感知强度，B_ij为所述传感器节点j的缓存大小，B_i为簇头i的缓存大小，α₁、α₂为设定的权重系数。

本实施例设置辅助节点进行指标数据的辅助收集，有利于降低簇头的负载，避免所有工作节点将指标数据都直接发送至簇头而产生过多能耗。本实施例创新性地设计了权值的计算公式，并依据权值确定辅助节点，有益于提高辅助节点进行指标数据收集和传输的任务的可靠性。

在一个实施例中，在数据传输阶段，簇头定期将自身的当前剩余能量信息广播至各传感器节点，传感器节点在接收到所述当前剩余能量信息后，根据所述当前剩余能量信息和自身的剩余能量调节自己的感知半径，设定调节公式为：

式中，R_ij ¹为调节后的簇头i对应簇内传感器节点j的感知半径，R_ij ⁰为调节前的簇头i对应簇内传感器节点j的感知半径，d_ij为簇头i与其簇内传感器节点j的距离，E_ij为该簇内传感器节点j的当前剩余能量，E_i为簇头i的当前剩余能量。

网络中存活的传感器节点随着时间的推移，由于信号干扰等多方面的因素将造成通信能耗不均衡的问题，使得传感器节点剩余能量发生差异。若较低剩余能量的传感器节点仍然与其他传感器节点一样担任同样程度的工作任务，则很可能会快速失效，进而影响整个无线传感器网络的传输性能以及可靠性。基于该问题，本实施例中，设置传感器节点定期根据自身的剩余能量调节自己的感知半径，并创新性地设定了传感器节点的感知半径调节公式。由该公式可知，随着传感器节点的能量减少，其感知半径也将调小。通过本实施例的调节公式进行传感器节点感知半径的定期调节，能够有效减缓传感器节点的失效速率，在保障一定的覆盖率的前提下尽可能地平衡簇内传感器节点的能耗，进而有益于促进整个网络能耗均衡，延长无线传感器网络的寿命。

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.高精度低成本的农田环境监测系统，其特征是，包括环境检测模块和远程终端，所述环境检测模块用于对反应农田环境情况的参数指标进行采集，并通过无线传感器网络将采集得到的指标数据发送至远程终端；所述远程终端包括数据存储单元、异常报警单元和界面显示单元，所述数据存储单元用于对接收到的指标数据进行存储，所述异常报警单元用于当反应农田环境的指标数据低于安全阈值时进行报警，所述界面显示单元用于显示指标数据。

2.根据权利要求1所述的高精度低成本的农田环境监测系统，其特征是，所述环境检测模块包括汇聚节点和多个采集指标数据的传感器节点，汇聚节点与远程终端通信，多个传感器节点通过节点竞选操作确定簇头并分簇，簇内的传感器节点将采集的指标数据传送至对应的簇头，汇聚节点汇总各簇头收集的指标数据并发送至远程终端。

3.根据权利要求1所述的高精度低成本的农田环境监测系统，其特征是，所述远程终端还包括异常数据处理单元，异常数据处理单元被配置为对接收的指标数据进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理，将处理后的指标数据发送至数据存储单元。

4.根据权利要求2所述的高精度低成本的农田环境监测系统，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。

5.根据权利要求1所述的高精度低成本的农田环境监测系统，其特征是，传感器节点的感知半径范围为[R₀，R₁]，部署传感器节点时，设置各传感器节点的感知半径相同且初始感知半径为R₀；在分簇后，簇头将自身的感知半径调节为R₁。

6.根据权利要求5所述的高精度低成本的农田环境监测系统，其特征是，分簇后，簇头收集簇内各传感器节点的位置信息，并根据位置信息计算簇内各传感器节点的感知强度，若簇内传感器节点的感知强度小于预设感知强度阈值，则该传感器节点成为覆盖盲点；其中，设置感知强度的计算公式为：

式中，Q_ij为簇头i对应簇内传感器节点j的感知强度，n_i为簇头i对应簇内的传感器节点数量，R_k为簇头i对应簇内的第k个传感器节点的当前感知半径，d_kj为簇头i对应簇内的第k个传感器节点与所述传感器节点j之间的距离，k≠j；e为自然常数，μ为预设的信号衰减指数，ρ为预设的环境干扰影响因子；f(d_kj，R_k)为判断取值函数，当d_kj＞R_k时，f(d_kj，R_k)＝0，当d_kj≤R_k时，f(d_kj，R_k)＝1；

当存在覆盖盲点时，簇头对距离所述覆盖盲点最近的传感器节点的感知半径进行调整，具体为：

(1)簇头向当存在覆盖盲点时，簇头向距离所述覆盖盲点最近的传感器节点发送感知半径调整指令；传感器节点接收到所述感知半径调整指令时，将自身的感知半径调整为(1+λ)R_k，λ为预设的调整比例，λ的取值范围为[5％，10％]；

(2)簇头重新计算所述覆盖盲点的感知强度，若该感知强度仍小于预设感知强度阈值，重复(1)，直至簇内不存在覆盖盲点。