CN109413193A - 用于精细农业的土壤质量监测装置 - 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装置，包括：无线传感器网络监测模块，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预处理模块；预处理模块，被配置为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；数据比较分析模块，被配置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；异常检测模块，被配置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
本发明涉及农业监测技术领域，具体涉及用于精细农业的土壤质量监测装置。
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。为实现农业种植物的健康成长，需要实时监测农田环境情况的土壤质量。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，本发明提供用于精细农业的土壤质量监测装置。
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装置，包括：
无线传感器网络监测模块，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预处理模块；
预处理模块，被配置为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；
数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；
数据比较分析模块，被配置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；
异常检测模块，被配置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，所述数据管理模块包括：
元数据管理单元，被配置为元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，被配置为对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，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感知数据、所述元数据。
其中，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。
本发明的有益效果为：基于大数据和无线传感器网络技术，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，从而便于监测人员及时对质量差的土壤进行处理，保障种植物的健康成长。
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装置的结构示意框图；
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：
无线传感器网络监测模块1、预处理模块2、数据管理模块3、数据比较分析模块4、异常检测模块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用于精细农业的土壤质量监测装置，包括：
无线传感器网络监测模块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预处理模块；预处理模块2，被配置为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至数据管理模块3处进行存储；数据管理模块3，被配置为对存储的数据进行管理；数据比较分析模块4，被配置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；异常检测模块5，被配置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，所述无线传感器网络监测模块1包括汇聚节点和多个采集所监测位置的土壤质量感知数据的传感器节点，传感器节点采集的土壤质量感知数据最终发送至汇聚节点，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：
元数据管理单元，被配置为元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，被配置为对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，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，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被配置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被配置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。
在一个实施例中，在一个实施例中，预先设定各传感器节点的通信距离，网络初始化时，传感器节点通过分簇路由协议分成多个簇，每个簇包括一个簇头节点以及多个传感器节点，簇头节点收集簇内各传感器节点采集的土壤质量感知数据并发送至汇聚节点。
优选地，所述的分簇路由协议为基于LEACH的路由协议。
在一种能够实现的方式中，簇头节点将所收集的土壤质量感知数据发送至汇聚节点，具体包括：
(1)初始时簇头节点通过与其他簇头节点的信息交互，获取邻居簇头节点信息，并根据所述邻居簇头节点信息选取一个邻居簇头节点作为中继节点；
(2)在土壤质量感知数据传输阶段，簇头节点根据自身能量计算发送距离并进行定期更新，当簇头节点到汇聚节点的距离未超过当前的发送距离时，簇头节点直接将收集的土壤质量感知数据发送至汇聚节点，当簇头节点到汇聚节点的距离超过当前的发送距离时，簇头节点直接将收集的土壤质量感知数据发送至所选取的中继节点，其中，所述发送距离的计算公式为：
式中，DI为簇头节点I的发送距离，QI为簇头节点I的当前剩余能量，QI0为簇头节点I的初始能量，SI为簇头节点I的通信距离，ρ为预设的基于能量的衰减因子，ρ的取值范围为[0.7,0.8]。
本实施例基于簇头节点的能量设定了发送距离的计算公式，创新性地为簇头节点发送土壤质量感知数据的路由方式选择给出了较好的衡量标准，即当簇头节点到汇聚节点的距离未超过当前的发送距离时，簇头节点直接将收集的土壤质量感知数据发送至汇聚节点，当簇头节点到汇聚节点的距离超过当前的发送距离时，簇头节点直接将收集的土壤质量感知数据发送至所选取的中继节点。簇头节点基于发送距离选择合适的路由方式，有利于减少簇头节点发送土壤质量感知数据的能量消耗，避免簇头节点因能量快速消耗而失效，保障无线传感器网络中路由的稳定性，为后续的土壤质量异常检测提供稳定的数据来源。
在一种能够实现的方式中，所述的根据所述邻居簇头节点信息选取一个邻居簇头节点作为中继节点，包括：
(1)簇头节点将满足下列备选条件的邻居簇头节点作为备选中继节点，构建备选中继节点集：
式中，TIJ表示簇头节点I对其邻居簇头节点J的信任度，初始时，簇头节点对各邻居簇头节点的信任度皆为1；TIl表示簇头节点I对其第l个邻居簇头节点的信任度，NI为簇头节点I的邻居簇头节点数量，D(I，O)为簇头节点I到汇聚节点的距离，D(J，O)为所述邻居簇头节点J到汇聚节点的距离，f[D(I，O)-D(J，O)]为判断取值函数，当D(I，O)-D(J，O)≥0时，f[D(I，O)-D(J，O)]＝1，当D(I，O)-D(J，O)＜0时，f[D(I，O)-D(J，O)]＝0；
(2)簇头节点在备选中继节点集中选取距离最近的备选中继节点作为中继节点。
本实施例基于簇头节点对其各邻居簇头节点的信任度情况，选择距离汇聚节点更近的邻居簇头节点作为备选中继节点，并进一步在备选中继节点集中选择距离最近的备选中继节点作为中继节点，来负责转发簇头节点所采集的土壤质量感知数据。本实施例相应地设置了备选中继节点的选取备选条件，为备选中继节点的选取提供了一个合适的标准，一方面保证了土壤质量感知数据不会向汇聚节点相反的方向传输，另一方面保障了土壤质量感知数据转发的可靠性。通过在备选中继节点集中选取距离最近的备选中继节点作为中继节点，有利于尽可能地节省土壤质量感知数据转发的能量，降低能量消耗成本，进一步节省土壤质量监测装置的成本。
在一个实施例中，簇头节点每隔一个时间段Δt获取中继节点的能量信息，当中继节点的当前剩余能量低于预设的能量下限时，簇头节点将该中继节点从备选中继节点集中剔除，并更新备选中继节点集，在更新后的备选中继节点集中选择距离最近的备选中继节点作为新的中继节点。
本实施例进行中继节点的实时更新，有利于均衡各簇头节点的能耗。
在一种实施方式中，所述更新备选中继节点集，包括：
(1)簇头节点更新其对当前备选中继节点集中各备选中继节点的信任度：
式中，TIK(x+1)表示簇头节点I在第x+1次更新的对其备选中继节点K的信任度，TIK(x)为簇头节点I在第x次更新的对其备选中继节点K的信任度，QIK为所述备选中继节点K的当前剩余能量，QIK0为所述备选中继节点K的初始能量，RIK为所述备选中继节点K的缓存列表中的土壤质量感知数据包数量，QT为预设的转发一个土壤质量感知数据包所消耗的能量，e-γ为信任度衰减因子，e为欧拉常数，γ∈(0，0.2]；
(2)簇头节点根据更新的信任度，判断当前备选中继节点集中各备选中继节点是是否满足所述备选条件，将不满足所述备选条件的备选中继节点从当前备选中继节点集中剔除，完成备选中继节点集的更新。
本实施例创新性地设定了信任度的更新公式，该更新公式根据能量以及转发缓存数据可能导致的能量消耗情况来评判备选中继节点相对于簇头节点的信任度，并基于更新的信任度重新判断当前备选中继节点集中各备选中继节点是否满足备选条件，从而筛除不合适的备选中继节点，使得备选中继节点的选取具有一定的鲁棒性，有利于提高相对能量充足、土壤质量感知数据转发任务量少的邻居簇头节点成功担任中继节点的概率，从而进一步均衡网络内各簇头节点的能耗，延长无线传感器网络的寿命，在整体上节省农业种植环境智能监控系统的成本。
其中，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。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路、数字信号处理器、数字信号处理设备、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于随机存取存储器、只读内存镜像、带电可擦可编程只读存储器或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
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 (7)
1.用于精细农业的土壤质量监测装置，其特征是，包括：
无线传感器网络监测模块，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预处理模块；
预处理模块，被配置为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；
数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；
数据比较分析模块，被配置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；
异常检测模块，被配置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，所述无线传感器网络监测模块包括汇聚节点和多个传感器节点，传感器节点用于采集所监测位置的土壤质量感知数据并发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚从传感器节点处接收的土壤质量感知数据，并将汇聚的土壤质量感知数据发送至所述预处理模块。
2.根据权利要求1所述的用于精细农业的土壤质量监测装置，其特征是，预先设定各传感器节点的通信距离，网络初始化时，传感器节点通过分簇路由协议分成多个簇，每个簇包括一个簇头节点以及多个传感器节点；簇头节点收集簇内各传感器节点采集的土壤质量感知数据并发送至汇聚节点，具体包括：
(1)初始时簇头节点通过与其他簇头节点的信息交互，获取邻居簇头节点信息，并根据所述邻居簇头节点信息选取一个邻居簇头节点作为中继节点；
(2)在土壤质量感知数据传输阶段，簇头节点根据自身能量计算发送距离并进行定期更新，当簇头节点到汇聚节点的距离未超过当前的发送距离时，簇头节点直接将收集的土壤质量感知数据发送至汇聚节点，当簇头节点到汇聚节点的距离超过当前的发送距离时，簇头节点直接将收集的土壤质量感知数据发送至所选取的中继节点，其中，所述发送距离的计算公式为：
式中，DI为簇头节点I的发送距离，QI为簇头节点I的当前剩余能量，QI0为簇头节点I的初始能量，SI为簇头节点I的通信距离，ρ为预设的基于能量的衰减因子，ρ的取值范围为[0.7,0.8]。
3.根据权利要求2所述的用于精细农业的土壤质量监测装置，其特征是，所述数据管理模块包括：
元数据管理单元，被配置为元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，被配置为对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，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感知数据、所述元数据。
4.根据权利要求2所述的用于精细农业的土壤质量监测装置，其特征是，预处理模块包括第一预处理单元，第一预处理单元被配置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。
5.根据权利要求4所述的用于精细农业的土壤质量监测装置，其特征是，预处理模块还包括第二预处理单元，第二预处理单元被配置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。
6.根据权利要求2所述的用于精细农业的土壤质量监测装置，其特征是，所述的根据所述邻居簇头节点信息选取一个邻居簇头节点作为中继节点，包括：
(1)簇头节点将满足下列备选条件的邻居簇头节点作为备选中继节点，构建备选中继节点集：
式中，TIJ表示簇头节点I对其邻居簇头节点J的信任度，初始时，簇头节点对各邻居簇头节点的信任度皆为1；TIl表示簇头节点I对其第l个邻居簇头节点的信任度，NI为簇头节点I的邻居簇头节点数量，D(I,O)为簇头节点I到汇聚节点的距离，D(J,O)为所述邻居簇头节点J到汇聚节点的距离，f[D(I,O)-D(J,O)]为判断取值函数，当D(I,O)-D(J,O)≥0时，f[D(I,O)-D(J,O)]＝1，当D(I,O)-D(J,O)<0时，f[D(I,O)-D(J,O)]＝0；
(2)簇头节点在备选中继节点集中选取距离最近的备选中继节点作为中继节点。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于精细农业的土壤质量监测装置，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。
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