CN109406751A - 区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统，包括：感知模块，用于对反应农田环境情况的土壤质量感知数据进行采集，并将采集得到的土壤质量感知数据发送至数据预处理模块；数据预处理模块，用于为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至数据存储及管理模块处进行存储；数据存储及管理模块，用于为对存储的数据进行管理；数据比较模块，用于为将土壤质量感知数据与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；报警信息发送模块，用于为接收所述比较结果，并在土壤质量感知数据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
技术领域
本发明涉及土壤监测技术领域，具体涉及区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统。
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，本发明提供区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统，包括：
感知模块，用于对反应农田环境情况的土壤质量感知数据进行采集，并将采集得到的土壤质量感知数据发送至数据预处理模块；
数据预处理模块，用于为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至数据存储及管理模块处进行存储；
数据存储及管理模块，用于为对存储的数据进行管理；
数据比较模块，用于为将土壤质量感知数据与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；
报警信息发送模块，用于为接收所述比较结果，并在土壤质量感知数据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，所述数据存储及管理模块包括：
元数据管理单元，用于为元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，用于为对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，用于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感知数据、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，在土壤质量感知数据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区域化种植物土壤质量高精度实时监控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：
感知模块1、数据预处理模块2、数据存储及管理模块3、数据比较模块4、报警信息发送模块5、第一预处理单元10、第二预处理单元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区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统，包括：
感知模块1，用于对反应农田环境情况的土壤质量感知数据进行采集，并将采集得到的土壤质量感知数据发送至数据预处理模块；数据预处理模块2，用于为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至数据存储及管理模块3处进行存储；数据存储及管理模块3，用于为对存储的数据进行管理；数据比较模块4，用于为将土壤质量感知数据与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；报警信息发送模块5，用于为接收所述比较结果，并在土壤质量感知数据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，所述感知模块1包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的监测区域的中心位置，四个中继节点设置于监测区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述监测区域内；将监测区域划分m个虚拟网格区域，且使得各中继节点在不同的虚拟网格区域内；网络初始化时，在中继节点所在的虚拟网格区域中选取中继节点作为簇头，并从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个传感器节点作为簇头，各传感器节点选择距离最近的簇头加入簇；传感器节点负责采集土壤质量感知数据，并将采集的土壤质量感知数据发送至对应的簇头，非中继节点的簇头所接收的土壤质量感知数据最终发送至其中一个中继节点；中继节点与汇聚节点直接通信，以将接收的土壤质量感知数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚所接收的土壤质量感知数据，并发送至所述数据预处理模块2。
在一种可能实现的方式中，所述数据存储及管理模块3包括：
元数据管理单元，用于为元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，用于为对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，用于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感知数据、所述元数据。
在一种能够实现的方式中，如图2所示，数据预处理模块2包括第一预处理单元10和第二预处理单元20，第一预处理单元10用于为对接收的土壤质量感知数据进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理；第二预处理单元20用于为对土壤质量感知数据进行缺失检测，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，在土壤质量感知数据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，非中继节点的簇头定期设置通信距离阈值，当非中继节点的簇头到距离最近的中继节点的距离未超过所设置的通信距离阈值时，其直接将接收的土壤质量感知数据发送至该距离最近的中继节点；当非中继节点的簇头到距离最近的中继节点的距离超过所设置的通信距离阈值时，其在更靠近该距离最近的中继节点的其余簇头中选择一个最近的作为下一跳节点，将接收的土壤质量感知数据发送至该下一跳节点；
所述通信距离阈值的设定公式为：
式中，Li(t)为簇头i在第t个周期设定的通信距离阈值，为簇头i可调节的最大通信距离，为簇头i可调节的最小通信距离，Qi为簇头i的当前剩余能量，Qi0为簇头i的初始能量，Qmin为预设的最小能量值，δ为预设的调节因子，δ的取值范围为[0.6,0.8]。
本实施例中，非中继节点的簇头设置通信距离阈值，将其与距离最近的中继节点的距离和该通信距离阈值进行比较，以根据比较结果选择合适的路由形式将土壤质量感知数据发送至该距离最近的中继节点，有利于较优化地节省簇头向中继节点传输土壤质量感知数据的能量成本。其中，本实施例根据簇头的当前剩余能量设定了距离阈值的公式，通过该公式计算出的距离阈值来调节簇头的路由方式，有利于降低簇头能量消耗的速率，避免簇头快速失效，有效地延长了簇头的工作周期，进而在整体上提高了土壤质量感知数据传输的可靠性。
在一种能够实现的方式中，从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个传感器节点作为簇头，包括：
(1)计算虚拟网格区域的重心位置：
式中，Sa表示虚拟网格区域a的重心位置，x(b)表示所述虚拟网格区域a中第b个传感器节点所在位置的x向坐标，y(b)为所述第b个传感器节点所在位置的y向坐标，z(b)为所述第b个传感器节点所在位置的z向坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，na为所述虚拟网格区域a具有的传感器节点个数；
(2)计算虚拟网格区域内各传感器节点的权值，并选取权值最大的传感器节点作为该虚拟网格区域的簇头；所述权值的计算公式为：
式中，Wau为虚拟网格区域a中第b个传感器节点的权重，为所述第b个传感器节点与重心位置Sa的距离，为虚拟网格区域a中第u个传感器节点与重心位置Sa的距离；Cb,5为所述第b个传感器节点与汇聚节点的距离，Cu,o为所述第u个传感器节点与汇聚节点的距离，n为虚拟网格区域a中传感器节点个数，e1、e2为设定的权重系数。
本实施例提出了虚拟网格区域内各传感器节点权重的计算公式，该计算公式中，距离所在虚拟网格区域重心位置以及汇聚节点更近的传感器节点具有更大的概率担任该虚拟网格区域的簇头。本实施例从每个虚拟网格区域中选择概率最大的传感器节点作为簇头，一方面能够保证簇头尽量均匀地分布在整个监测区域内，另一方面能够提升分簇结果的全局最优性能，节省簇头收集和传输土壤质量感知数据的能量消耗，提高簇头进行土壤质量感知数据收集工作的稳定性。
在一个实施例中，所述中继节点可移动，设与中继节点直接通信的簇头集合为Ω，中继节点定期对集合Ω中的簇头进行能量监测，按照下列公式计算集合Ω中的簇头的能量势力：
式中，Dp为集合Ω中的簇头p的能量势力，Qp为簇头p的当前剩余能量，Qpv为簇头p对应簇内第R个传感器节点的当前剩余能量，mp为簇头p对应簇内的传感器节点数量，Lp为簇头p的通信距离，QL为集合Ω中的第l个簇头的当前剩余能量，LP为中继节点的通信距离；
若集合Ω中存在能量势力大于0的簇头，汇聚节点在能量势力大于0的簇头中，选择最大能量势力、次大能量势力的传感器节点作为目标节点，设该两个目标节点的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，则中继节点向点的方向移动移动设定的距离；其中中继节点移动的总距离不能超过预设的距离上限。
靠近中继节点的簇头不仅需要接收和转发其簇内的土壤质量感知数据，还需要中继转发其他簇头的土壤质量感知数据，因此相对于其他簇头，需要消耗更多的能量，所以无线传感器网络在中继节点附近容易产生能量空洞。
基于此问题，本实施例设置中继节点可移动，并创新性地定义了能量势力的计算公式，本实施例在中继节点的附近簇头的能量势力大于0时，使中继节点向能量势力较大的簇头确定的基准点方向移动设定的距离，从而促使能量较低的簇头由于与移动后的中继节点过远而不再承担中继转发的任务。本实施例有益于平衡各簇头的能量，减少能量空洞现象，进而有效延长网络生存时间，提高土壤质量感知数据收集的稳定性。
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.区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统，其特征是，包括：
感知模块，用于对反应农田环境情况的土壤质量感知数据进行采集，并将采集得到的土壤质量感知数据发送至数据预处理模块；
数据预处理模块，用于为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至数据存储及管理模块处进行存储；
数据存储及管理模块，用于为对存储的数据进行管理；
数据比较模块，用于为将土壤质量感知数据与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；
报警信息发送模块，用于为接收所述比较结果，并在土壤质量感知数据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，所述感知模块包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的监测区域的中心位置，四个中继节点设置于监测区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述监测区域内；将监测区域划分m个虚拟网格区域，且使得各中继节点在不同的虚拟网格区域内；网络初始化时，在中继节点所在的虚拟网格区域中选取中继节点作为簇头，并从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个传感器节点作为簇头，各传感器节点选择距离最近的簇头加入簇；传感器节点负责采集土壤质量感知数据，并将采集的土壤质量感知数据发送至对应的簇头，非中继节点的簇头所接收的土壤质量感知数据最终发送至其中一个中继节点；中继节点与汇聚节点直接通信，以将接收的土壤质量感知数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚所接收的土壤质量感知数据，并发送至所述数据预处理模块。
2.根据权利要求1所述的区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统，其特征是，所述数据存储及管理模块包括：
元数据管理单元，用于为元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，用于为对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，用于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感知数据、所述元数据。
3.根据权利要求1或2所述的区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统，其特征是，数据预处理模块包括第一预处理单元，第一预处理单元用于为对接收的土壤质量感知数据进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理。
4.根据权利要求3所述的区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统，其特征是，数据预处理模块还包括第二预处理单元，第二预处理单元用于为对土壤质量感知数据进行缺失检测，并对检测出的缺失序列进行数据填补。
5.根据权利要求1所述的区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统，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所述的区域化种植物土壤质量高精度实时监控系统，其特征是，非中继节点的簇头定期设置通信距离阈值，当非中继节点的簇头到距离最近的中继节点的距离未超过所设置的通信距离阈值时，其直接将接收的土壤质量感知数据发送至该距离最近的中继节点；当非中继节点的簇头到距离最近的中继节点的距离超过所设置的通信距离阈值时，其在更靠近该距离最近的中继节点的其余簇头中选择一个最近的作为下一跳节点，将接收的土壤质量感知数据发送至该下一跳节点；
所述通信距离阈值的设定公式为：
式中，Li(t)为簇头i在第t个周期设定的通信距离阈值，为簇头i可调节的最大通信距离，为簇头i可调节的最小通信距离，Qi为簇头i的当前剩余能量，Qi0为簇头i的初始能量，Qmin为预设的最小能量值，δ为预设的调节因子，δ的取值范围为[0.6,0.8]。
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