CN109688231B - 一种园林生态环境生态智能监测系统 - Google Patents

一种园林生态环境生态智能监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种园林生态环境生态智能监测系统，该系统包括环境信息采集装置、远程监测中心和用户终端，所述环境信息采集装置包括设置于园林监测区域中的多个信息采集单元和覆盖所述园林监测区域的无线传感器网络；所述远程监测中心包括中央处理器、云端存储模块、监控分析模块和报警模块，所述汇聚节点与中央处理器的输入端相连，所述中央处理器的输出端与所述监控分析模块、云端存储模块的输入端相连，所述监控分析模块的输出端连接所述报警模块，所述监控分析模块、云端存储模块和报警模块的输出端皆连接有无线收发模块，所述无线收发模块与所述用户终端采用无线信号传输连接。

Description

一种园林生态环境生态智能监测系统
技术领域
本发明涉及园林环境监测技术领域，具体涉及一种园林生态环境生态智能监测系统。
背景技术
随着城市园林的建设步伐的加快，提高其园林的信息化管理显得越来越重要，然而现在的园林生态环境监测系统还不够智能。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种园林生态环境生态智能监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种园林生态环境生态智能监测系统，该系统包括环境信息采集装置、远程监测中心和用户终端，所述环境信息采集装置包括设置于园林监测区域中的多个信息采集单元和覆盖所述园林监测区域的无线传感器网络；
所述无线传感器网络包括一个汇聚节点和多个传感器节点，每个传感器节点至少连接一个所述信息采集单元，以采集所述信息采集单元感知的园林生态环境数据；各传感器节点采集的园林生态环境数据最终发送至所述汇聚节点；所述汇聚节点汇聚各园林生态环境数据并传送至所述远程监测中心；
所述远程监测中心包括中央处理器、云端存储模块、监控分析模块和报警模块，所述汇聚节点与中央处理器的输入端相连，所述中央处理器的输出端与所述监控分析模块、云端存储模块的输入端相连，所述监控分析模块的输出端连接所述报警模块，所述监控分析模块、云端存储模块和报警模块的输出端皆连接有无线收发模块，所述无线收发模块与所述用户终端采用无线信号传输连接。
其中，所述中央处理器对接收的园林生态环境数据进行格式处理和数据类型划分处理，并将处理后的园林生态环境数据发送至所述监控分析模块，以及发送至云端存储模块进行存储。所述监控分析模块将园林生态环境数据与对应的预设阈值进行比对，在比对结果不符合预设条件时向所述报警模块发送启动报警的指令。在一种实施方式中，所述预设条件可为比对的园林生态环境数据与对应的预设阈值之间的差值在预设的差值范围内。在其他实施方式中，还可以根据实际情况确定该预设条件，本实施例不限定于此。
其中，所述用户终端可通过无线收发模块向监控分析模块发送所述预设阈值的相关数据。
其中，所述用户终端可通过无线收发模块访问云端存储模块，以获取所述云端存储模块存储的数据。
其中，所述用户终端可通过无线收发模块接收报警模块发送的报警信息。
在一个实施例中，所述中央处理器的输入端还连接有电源模块，所述电源模块与中央处理器的连接处还设有电源转换器。
在一个实施例中，所述用户终端设有APP平台，该APP平台与设置在园林监测区域的洒水机、喷药机以及施肥机采用无线通信配合连接。
其中，所述的信息采集单元包括温湿度传感器、土壤传感器、大气监测传感器、水质在线监测传感器或光照强度传感器，所述的温湿度传感器、土壤传感器、大气监测传感器、水质在线监测传感器、光照强度传感器分别多点分布安装在园林监测区域内。
本发明的有益效果为：通过无线传感器网络获取园林环境信息，无需布线，智能便捷；该系统使用方便，园林环境信息监测全面且准确，用户可通过用户终端联网获取相关的园林环境信息，并远程控制园林设备进行相应操作。
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园林生态环境生态智能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监测中心的结构示意框图。
附图标记：
环境信息采集装置1、远程监测中心2、用户终端3、中央处理器10、云端存储模块20、监控分析模块30、报警模块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，本发明实施例提供一种园林生态环境生态智能监测系统，该系统包括环境信息采集装置1、远程监测中心2和用户终端3，所述环境信息采集装置1包括设置于园林监测区域中的多个信息采集单元和覆盖所述园林监测区域的无线传感器网络；
所述无线传感器网络包括一个汇聚节点和多个传感器节点，每个传感器节点至少连接一个所述信息采集单元，以采集所述信息采集单元感知的园林生态环境数据；各传感器节点采集的园林生态环境数据最终发送至所述汇聚节点；所述汇聚节点汇聚各园林生态环境数据并传送至所述远程监测中心；
如图2所示，所述远程监测中心2包括中央处理器10、云端存储模块20、监控分析模块30和报警模块40，所述汇聚节点与中央处理器10的输入端相连，所述中央处理器10的输出端与所述监控分析模块30、云端存储模块20的输入端相连，所述监控分析模块30的输出端连接所述报警模块40，所述监控分析模块30、云端存储模块20和报警模块40的输出端皆连接有无线收发模块，所述无线收发模块与所述用户终端3采用无线信号传输连接。
其中，所述中央处理器10对接收的园林生态环境数据进行格式处理和数据类型划分处理，并将处理后的园林生态环境数据发送至所述监控分析模块30，以及发送至云端存储模块20进行存储。所述监控分析模块30将园林生态环境数据与对应的预设阈值进行比对，在比对结果不符合预设条件时向所述报警模块40发送启动报警的指令。在一种实施方式中，所述预设条件可为比对的园林生态环境数据与对应的预设阈值之间的差值在预设的差值范围内。在其他实施方式中，还可以根据实际情况确定该预设条件，本实施例不限定于此。
其中，所述用户终端3可通过无线收发模块向监控分析模块30发送所述预设阈值的相关数据。
其中，所述用户终端3可通过无线收发模块访问云端存储模块20，以获取所述云端存储模块20存储的数据。
其中，所述用户终端3可通过无线收发模块接收报警模块40发送的报警信息。
在一个实施例中，所述中央处理器10的输入端还连接有电源模块，所述电源模块与中央处理器10的连接处还设有电源转换器。
在一个实施例中，所述用户终端3设有APP平台，该APP平台与设置在园林监测区域的洒水机、喷药机以及施肥机采用无线通信配合连接。
其中，所述的信息采集单元包括温湿度传感器、土壤传感器、大气监测传感器、水质在线监测传感器或光照强度传感器，所述的温湿度传感器、土壤传感器、大气监测传感器、水质在线监测传感器、光照强度传感器分别多点分布安装在园林监测区域内。
本发明上述实施例通过无线传感器网络获取园林环境信息，无需布线，智能便捷；该系统使用方便，园林环境信息监测全面且准确，用户可通过用户终端3联网获取相关的园林环境信息，并远程控制园林设备进行相应操作。
在上述的一种园林生态环境生态智能监测系统中，每个传感器节点根据自己的类型编号选择直接通信模式或者间接通信模式与汇聚节点通信，包括：当传感器节点为第一类节点时，其采用直接通信模式；当传感器节点为第二类节点时，其根据所述汇聚节点的指令确定通信模式；当传感器节点为第三类节点时，其采用间接通信模式；其中，所述直接通信模式为：传感器节点直接将已获取的园林生态环境数据发送至所述汇聚节点；所述间接通信模式为：传感器节点在其通信范围内的传感器节点中选择最近的作为下一跳，将已获取的园林生态环境数据发送至该下一跳，以由下一跳转发该园林生态环境数据，直至该园林生态环境数据传送至汇聚节点；
其中，设定每个传感器节点能调节的通信距离范围皆为[Smin,Smax]，由汇聚节点确定每个传感器节点的类型编号，具体为：
(1)所述汇聚节点向各传感器节点广播优先级计算消息并启动计时器，各传感器节点收到所述优先级计算消息后，计算自身的直接通信优先级，并向所述汇聚节点发送反馈消息：
Figure GDA0002245835280000041
式中，Zp为传感器节点p的直接通信优先级，Y(p,o)为传感器节点p到其汇聚节点o的距离，Y(p,j)为传感器节点p到其通信范围内第j个传感器节点的距离，Np为位于传感器节点p通信范围内的传感器节点数量，Np(Smin)为位于传感器节点p通信范围内与传感器节点p距离小于Smin的传感器节点数量，
Figure GDA0002245835280000042
为第一判断取值函数，当时，
Figure GDA0002245835280000044
时，
Figure GDA0002245835280000045
Figure GDA00022458352800000415
为第二判断取值函数，当
Figure GDA0002245835280000046
时，当
Figure GDA0002245835280000048
时，
Figure GDA0002245835280000049
Figure GDA00022458352800000410
为第三判断取值函数，当
Figure GDA00022458352800000411
时，
Figure GDA00022458352800000412
当时，
Figure GDA00022458352800000414
(2)所述反馈消息包括传感器节点的直接通信优先级，所述汇聚节点将直接通信优先级为0的所有传感器节点划分为第三类节点，将直接通信优先级为1或2的所有传感器节点划分为第二类节点，将直接通信优先级为3的所有传感器节点划分为第一类节点，并向各传感器节点广播划分信息。
本实施例通过汇聚节点为各传感器节点分配类型编号信息，传感器节点根据该类型编号确定是否与汇聚节点直接通信，提高了传感器节点与汇聚节点之间通信的灵活性，相对于所有传感器节点与汇聚节点直接通信的方式，能够进一步节省网络能量；
本实施例创造性地提出了直接通信优先级的新指标，该指标由各传感器节点分别自行计算并反馈至汇聚节点，有利于平衡各传感器节点的计算负载，提高为各传感器节点分配类型编号的效率；
本实施例中，所述汇聚节点根据该直接通信优先级来确定各传感器节点的类型编号，有利于为传感器节点确定合适的路由方式，节省与汇聚节点相距较远的传感器节点在发送园林生态环境数据方面的能耗，进一步平衡各传感器节点的能量，节省系统的监测成本。
其中，当传感器节点为第二类节点时，其根据所述汇聚节点的指令确定通信模式，具体为：所述指令包括预设的模式持续时间ΔT0，第二类节点初始时选择直接通信模式，当接收到所述汇聚节点的指令时，第二类节点将通信模式切换为间接通信模式，当持续到ΔT0后，若所述第二类节点没有收到所述汇聚节点的下一个指令，所述第二类节点将通信模式更换回直接通信模式。
在一个实施例中，每隔一个预设的周期ΔT1，所述汇聚节点获取各传感器节点的能量信息，并根据能量信息计算采用间接通信模式的传感器节点对采用直接通信模式的传感器节点的能量吸引力：
Figure GDA0002245835280000051
式中，Q21表示采用间接通信模式的传感器节点对采用直接通信模式的传感器节点的能量吸引力，Eb为第b个采用间接通信模式的传感器节点的当前剩余能量，K2为当前网络中采用间接通信模式的传感器节点的数量，Ea为第a个采用直接通信模式的传感器节点的当前剩余能量，K1为当前网络中采用直接通信模式的传感器节点的数量；
当Q21>0时，所述汇聚节点从当前网络的第二类节点中选择m个第二类节点，向该m个第二类节点发送所述指令。
其中，当所有第二类节点都转换为第一类节点或者达到预设的周期次数上限时，所述节点停止上述能量吸引力的计算操作。
与汇聚节点直接进行数据传输的传感器节点，由于靠近汇聚节点，不仅需要向汇聚节点发送其采集的园林生态环境数据，而且需要作为相近传感器节点的下一跳节点，因此相对于其他距离汇聚节点较远的传感器节点，需要消耗更多的能量，所以无线传感器网络在汇聚节点附近容易产生能量空洞。基于此问题，本实施例创新性地提出了能量吸引力的衡量指标，当采用直接通信模式的传感器节点与采用间接通信模式的传感器节点的能量吸引力小于0时，即采用直接通信模式的传感器节点的整体能量处于较低值时，将一定数量的第二类节点更新为第一类节点，以分担当前第一类节点的负载，这能够进一步平衡各传感器节点的能量，减少能量空洞现象，进而有效延长网络生存时间，提高园林生态环境数据采集的稳定性，从而为用户提供准确全面的园林环境信息。
其中，所述m为预设值，且满足
Figure GDA0002245835280000052
在一种实施方式中，所述汇聚节点从当前网络的第二类节点中随机选择m个第二类节点。
在另一种实施方式中，所述汇聚节点计算最优能量参考值ET，并从当前网络的第二类节点中，选择当前剩余能量与该ET较接近的m个第二类节点，其中所述最优能量参考值ET按照下列方式计算：
(1)为使得两种不同通信模式的传感器节点的能量吸引力能够趋于平衡，述ET应该尽量满足：
Figure GDA0002245835280000061
即
Figure GDA0002245835280000062
(2)取
Figure GDA0002245835280000063
Figure GDA0002245835280000064
表示对
Figure GDA0002245835280000065
的计算结果取整。
本实施例进一步提出了该m个第二类节点的选择机制，其中由所述汇聚节点计算最优能量参考值ET，并相应地提出了ET的取值方式。本实施例选择当前剩余能量与该ET较接近的m个第二类节点作为要更新通信模式的节点，能够使得两种不同通信模式的传感器节点的能量吸引力尽可能趋于平衡，从而更为有效地平衡网络各传感器节点的能量，尽量避免能量空洞现象，进而有效延长网络生存时间，提高园林生态环境数据采集的稳定性，相对于随机选择m个第二类节点的方式，更为科学合理。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统和终端的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
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、数字信号处理系统、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系统、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 (5)

1.一种园林生态环境生态智能监测系统，其特征是，该系统包括环境信息采集装置、远程监测中心和用户终端，所述环境信息采集装置包括设置于园林监测区域中的多个信息采集单元和覆盖所述园林监测区域的无线传感器网络；
所述无线传感器网络包括一个汇聚节点和多个传感器节点，每个传感器节点至少连接一个所述信息采集单元，以采集所述信息采集单元感知的园林生态环境数据；各传感器节点采集的园林生态环境数据最终发送至所述汇聚节点；所述汇聚节点汇聚各园林生态环境数据并传送至所述远程监测中心；
所述远程监测中心包括中央处理器、云端存储模块、监控分析模块和报警模块，所述汇聚节点与中央处理器的输入端相连，所述中央处理器的输出端与所述监控分析模块、云端存储模块的输入端相连，所述监控分析模块的输出端连接所述报警模块，所述监控分析模块、云端存储模块和报警模块的输出端皆连接有无线收发模块，所述无线收发模块与所述用户终端采用无线信号传输连接；
其中，每个传感器节点根据自己的类型编号选择直接通信模式或者间接通信模式与汇聚节点通信，包括：当传感器节点为第一类节点时，其采用直接通信模式；当传感器节点为第二类节点时，其根据所述汇聚节点的指令确定通信模式；当传感器节点为第三类节点时，其采用间接通信模式；其中，所述直接通信模式为：传感器节点直接将已获取的园林生态环境数据发送至所述汇聚节点；所述间接通信模式为：传感器节点在其通信范围内的传感器节点中选择最近的作为下一跳，将已获取的园林生态环境数据发送至该下一跳，以由下一跳转发该园林生态环境数据，直至该园林生态环境数据传送至汇聚节点；设定每个传感器节点能调节的通信距离范围皆为[Smin,Smax]，由汇聚节点确定每个传感器节点的类型编号，具体为：
(1)所述汇聚节点向各传感器节点广播优先级计算消息并启动计时器，各传感器节点收到所述优先级计算消息后，计算自身的直接通信优先级，并向所述汇聚节点发送反馈消息：
Figure FDA0002245835270000011
式中，Zp为传感器节点p的直接通信优先级，Y(p,o)为传感器节点p到其汇聚节点o的距离，Y(p,j)为传感器节点p到其通信范围内第j个传感器节点的距离，Np为位于传感器节点p通信范围内的传感器节点数量，Np(Smin)为位于传感器节点p通信范围内与传感器节点p距离小于Smin的传感器节点数量，
Figure FDA0002245835270000012
为第一判断取值函数，当
Figure FDA0002245835270000013
时，
Figure FDA0002245835270000014
时，
Figure FDA0002245835270000015
为第二判断取值函数，当
Figure FDA0002245835270000021
时，当
Figure FDA0002245835270000023
时，
Figure FDA0002245835270000024
为第三判断取值函数，当
Figure FDA0002245835270000025
时，
Figure FDA0002245835270000026
当
Figure FDA0002245835270000027
时，
Figure FDA0002245835270000028
(2)所述反馈消息包括传感器节点的直接通信优先级，所述汇聚节点将直接通信优先级为0的所有传感器节点划分为第三类节点，将直接通信优先级为1或2的所有传感器节点划分为第二类节点，将直接通信优先级为3的所有传感器节点划分为第一类节点，并向各传感器节点广播划分信息。
2.根据权利要求1所述的一种园林生态环境生态智能监测系统，其特征是，当传感器节点为第二类节点时，其根据所述汇聚节点的指令确定通信模式，具体为：所述指令包括预设的模式持续时间ΔT0，第二类节点初始时选择直接通信模式，当接收到所述汇聚节点的指令时，第二类节点将通信模式切换为间接通信模式，当持续到ΔT0后，若所述第二类节点没有收到所述汇聚节点的下一个指令，所述第二类节点将通信模式更换回直接通信模式。
3.根据权利要求1所述的一种园林生态环境生态智能监测系统，其特征是，每隔一个预设的周期ΔT1，所述汇聚节点获取各传感器节点的能量信息，并根据能量信息计算采用间接通信模式的传感器节点对采用直接通信模式的传感器节点的能量吸引力：
式中，Q21表示采用间接通信模式的传感器节点对采用直接通信模式的传感器节点的能量吸引力，Eb为第b个采用间接通信模式的传感器节点的当前剩余能量，K2为当前网络中采用间接通信模式的传感器节点的数量，Ea为第a个采用直接通信模式的传感器节点的当前剩余能量，K1为当前网络中采用直接通信模式的传感器节点的数量；
当Q21>0时，所述汇聚节点从当前网络的第二类节点中选择m个第二类节点，向该m个第二类节点发送所述指令。
4.根据权利要求3所述的一种园林生态环境生态智能监测系统，其特征是，所述m为预设值，且满足
Figure FDA00022458352700000210
5.根据权利要求4所述的一种园林生态环境生态智能监测系统，其特征是，所述用户终端设有APP平台，该APP平台与设置在园林监测区域的洒水机、喷药机以及施肥机采用无线通信配合连接。
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