CN111356144A - 一种用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法，该方法通过手持GPS/BDS定位仪采集传感器网络节点经纬度信息，根据手持GPS/BDS定位仪中广域网无线或有线通信方式将所采集的经纬度数据传输至广域网运营商的通信基站，通信基站再将数据转送至本地或远程终端的数据通信计算设备，并通过该终端的数据通信计算设备获取经纬度数据、农业物联网所在应用领域的监测区域总面积及传感器网络节点的监测半径等信息，并对各节点之间的距离依据相应的算法进行计算，然后依次判断并处理各节点之间是否存在网络信号覆盖重叠及重叠情况，并处理重叠区域面积，运行所集成的相应的传感器网络覆盖率计算软件，计算传感器网络覆盖率。本发明能够较准确计算农业物联网应用区域的传感器网络覆盖率，对于农业物联网领域中监控区域标准化感知模式的设计有着很好的应用作用。

Description

一种用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法

技术领域

本发明属于传感器网络领域，特别涉及了一种用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法。

背景技术

传感器网络是由许多在空间上分布的传感器网络节点组成的一种计算机网络，这些传感器网络节点使用各种各样的传感器协作地组网监控不同位置的物理环境信息和状况。将传感器网络用于现代农业领域，有利于高效便捷地采集监控、传输农业设施区域内的环境信息，并可以及时地帮助农民发现农业产品生产过程中所遇到的问题，以便于及时地解决问题，避免不利因素给农业造成无法弥补的影响；也有利于改变传统农业的生产方式，推动农业的智能化信息化的发展。但是，随着农业传感器网络技术的不断普及和发展，到目前为止，还没有统一、符合实际、方便快捷并科学的传感器网络覆盖率统计计算方法，而这些在进行合理评估、科学管理、理性决策和规模化推广应用中是非常需要的和必不可少的，同时这样的方法和体系不健全又会影响生产资源的合理优化配置，造成资源浪费、资源滥用等现象，从而制约农业物联网技术的发展。因此，设计一个规范、合理的用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算方法就显得尤为重要。

在设计农业物联网的传感器网络覆盖率计算即算法时需要考虑如下几个方面因素：

(1)算法的精确性。算法所表现出来的特征应该是较为精确地表示出农业设施应用领域的传感器网络覆盖率，不能采用与实际情况相差甚远的或模糊不清的方法表示覆盖率。

(2)算法的复杂性。在保证算法精确性的同时，算法应该清晰简明，尽量减少其复杂度，以便尽可能地减少其所占用的系统资源，提升算法的运算速度。

(3)算法的普适性。算法应该普遍适用于农业物联网各个领域的传感器网络计算，并根据农业设施现场出现的所有的传感器网络的覆盖状况进行计算，有效提升算法的普适性。

发明内容

发明目的：为了克服现有传感器网络覆盖率统计计算空白或不足，本发明提出了一种科学、规范、合理的农业物联网领域传感器网络的覆盖率计算方法。

技术方案：一种用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法，包括适用于农业物联网的传感器网络节点经纬度采集方式、传感器网络节点经纬度数据通信途径与本地或远程终端的数据通信计算设备中的传感器网络覆盖率计算软件；传感器网络节点之间的通信方式既可以是WSN，RFID，WSID，WLAN等无线通信方式，可以是RS-485，RS-232等有线通信方式，也可以是上述通信方式的组合；农业物联网的传感器网络节点包括传感器采集节点、控制节点、传感器控制节点、网关节点、中继节点；传感器网络节点经纬度采集系统是通过手持GPS/BDS定位仪采集模块测量完成；传感器网络节点经纬度数据传输系统由手持GPS/BDS定位仪通信模块、广域网络通信基站及本地或远程终端的数据通信计算设备中的通信模块和数据处理终端机部分等组成；系统通过手持GPS/BDS定位仪测得各传感器网络节点经纬度信息，将其转换为广域网无线或有线数据进行发送，再由广域网络通信基站接收数据并进行转发，本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据通信模块接收广域网无线或有线数据并将数据进行转换，并传送至本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机部分。所述的计算方法集成于本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机中的传感器网络覆盖率算法及其软件，并由本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机中的数据接收模块、传感器网络覆盖率计算模块、用户交互界面模块等组成。

传感器网络节点的静态感知范围是以节点所在位置为圆心，感知半径为r的圆形区域，感知面积为π×r²。假设某一传感器网络节点i(i＝1，2，…，n，n为传感器网络节点的总个数)所处的位置坐标为(x_i,y_i)，对于监控区域内任一节点的坐标为(x_j,y_j)的位置j(j＝1，2，…，n，n为传感器网络节点的总个数)，位置i与j的欧几里得距离为l(i,j)，则位置j的传感器网络节点被位置i的传感器网络节点监测到的概率与传感器网络节点的监测半径r的关系为：

由上述模型，只要满足l(i,j)≤r的节点，均为传感器网络节点可监测到的范围，最终传感器网络节点所监测得到的总面积即为这些节点可监测到的范围的集合。通过对实际传感器网络节点部署环境中传感器网络节点部署效率的最大化考虑，可能会存在相邻传感器网络节点覆盖区域重叠的情况。由于实际应用的需要，本计算方法中仅考虑两个传感器网络节点覆盖区域相互重叠及三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠时所出现的重叠面积处理方法问题。出现四个及四个以上传感器网络节点互相重叠的情况，一方面使得传感器网络节点部署效率极为不高，实际工程应用中极少出现，另一方面也使得其计算的复杂度大幅增加，同时更主要的是高精度的传感器网络覆盖率计算在实际工程应用中没有实际应用价值，因此四个及以上传感器网络节点互相重叠的因素，在此不作计算传感器网络覆盖率工程应用的考虑。根据工程应用现场传感器网络节点部署的实际情况，本计算方法自动判断是否出现重叠现象及其重叠情况，并对重叠面积计算处理。

进一步地，要从事用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算，首先需要建立一个需要计算农业物联网传感器网络覆盖率的具体工程应用现场的监控区域内的传感器网络(由传感器网络节点：采集节点、控制节点、采集控制节点、网关和中继节点等组成)监控模型，然后在此基础上建立由X—Y组成的平面直角坐标系，再通过GPS/BDS仪的检测，获得每个传感器网络节点(采集节点、控制节点、采集控制节点、网关、中继节点)在监测区域内的实际经纬度，后通过米勒投影法实现经纬度和由X—Y组成的平面直角坐标系中的坐标的相互转换，从而进一步获得传感器网络节点之间的距离。传感器网络节点之间的距离计算的具体步骤如下：(1)建立西经γ度、北纬ζ度为X—Y组成的平面直角坐标系的原点，X轴与Y轴分别与利用地球的米勒投影法展开的地图的纬线和经线重叠，由此建立了相应的X—Y平面直角坐标系；(2)设定米勒常数，该米勒常数值通常取在±2.3101之间，将经度和纬度从度数转化为弧度；(3)根据米勒常数，利用米勒投影的转换，将弧度转换为实际距离；(4)创建两个经纬度及其对应的X—Y平面直角坐标系中的坐标的存储数组，用来存储所测得的经纬度及其对应的X—Y平面直角坐标系中坐标的信息；(5)计算每一个传感器网络节点两两之间在X—Y组成的平面直角坐标系内的相对坐标及实际的相对距离。

更进一步地，首先对监控区域内传感器网络节点的部署情况进行判断，若监测区域中部署的传感器网络节点存在两个传感器之间的覆盖区域相互重叠面积的情况，则进入对两个传感器网络节点之间的覆盖区域相互重叠面积的计算流程，否则进入判断监控区域内是否存在三个传感器网络节点之间的覆盖区域相互重叠的流程。

两个传感器之间的覆盖区域重叠面积几何模型如图2所示。对于两个传感器之间的覆盖区域重叠面积的计算，设点A、点B为存在重叠区域的相邻传感器网络节点，圆A、圆B为此相邻两个传感器网络节点所形成的覆盖范围几何模型。设相邻两个传感器网络节点之间的距离为d，这两个量为可预先人为设定和通过手持GPS/BDS定位仪方便测得仅有的两个已知量。根据两个传感器之间的覆盖区域重叠部分的几何模型，通过三角形的余弦定理易得到：

S₁＝2(θ·r²+r²·sinθ·cosθ) (3)

式中，θ为传感器网络节点传输信号覆盖圆相交时的两个传感器网络节点传输信号覆盖圆圆心连接线与两传输信号覆盖圆相交中两个传输信号覆盖圆圆心到两个覆盖圆相交时任一相交点连线的夹角，单位为弧度制。S₁为两个传感器网络节点覆盖范围重叠部分的面积。设农业物联网应用监控区域内存在两传感器网络节点传输信号覆盖圆(以r为半径)相交的第k(k＝1,2,3...,m，m为两传感器网络节点传输信号覆盖圆相交的重叠面积个数的总数)组传输信号覆盖圆重叠面积部分，θ_k为第k(k＝1,2,3,...,m，m为两传感器网络节点传输信号覆盖圆相交的重叠面积个数的总数)组传感器网络节点传输信号覆盖圆相交时的两个传感器网络节点传输信号覆盖圆圆心连接线与两传输信号覆盖圆相交中两个传输信号覆盖圆圆心到两个覆盖圆相交时任一相交点连线的夹角，并根据公式(3)S₁，出现两个传感器网络节点传输信号覆盖范围重叠部分的总面积为：

三个传感器之间的覆盖区域重叠面积几何模型如图3所示。对于三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠时重叠面积的计算，设点A、点B、点C为存在相互重叠情况的三个相邻传感器网络节点。由于各个传感器网络节点的实际坐标已被确定，所以三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠的部分几何模型被确定。在多种计算机几何画板软件或几何制图软件中，通过输入传感器网络节点A、传感器网络节点B、传感器网络节点C的相对坐标以及传感器网络节点的监测半径，几何画板软件或几何制图软件将会自动绘出三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠的重叠部分几何模型，此时通过几何画板软件或几何制图软件中的平面测距功能，可以快速、准确地自动得出重叠面积中出现的交点DE、EF、FD的实际距离。

设三个传感器网络节点传输信号覆盖区域相互重叠时重叠面积中出现的相交点DE、EF、FD之间的距离分别为h₁、h₂、h₃，β₁＝∠DBE，β₂＝∠ECF，β₃＝∠DAF，得：

所得的重叠部分面积为△DEF的面积加上三块弓形区域的面积，得△DEF面积的计算公式为：

式中，p为△DEF周长的二分之一。设a(a＝1,2,3)代表存在三圆重叠区域中的每个传感器网络节点监测区域的编号，同理根据上述三角形面积计算公式可得上述每个传感器网络节点监测区域中对应每块弓形面积计算公式：

设农业物联网应用监控区域内存在三传感器网络节点传输信号覆盖圆(以r为半径)相交的第b(b＝1,2,3,...,λ，λ为三传感器网络节点传输信号覆盖圆相交的重叠面积个数的总数)组传输信号覆盖圆重叠面积部分，则所求三个传感器网络节点互相重叠部分的总面积S₃计算公式为：

更进一步地，所述传感器网络覆盖率的计算方法，根据上述公式(4)、(8)可以算的传感器网络覆盖范围的总面积：

S_覆＝nπr²-S₂+S₃ (9)式中，n为传感器网络节点的总个数，r为传感器网络节点的监测半径，定义传感器网络节点覆盖率为δ_覆，监测区域的总面积为S，则根据上述表述，传感器网络节点覆盖率δ_覆为：

本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机部分计算传感器网络覆盖率计算的算法流程如图4所示。

更进一步地，总结所述的用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法包括以下步骤：

S01通过人工手持GPS/BDS定位仪测量每个传感器网络节点(采集节点、控制节点、采集控制节点、网关、中继节点)的经纬度信息，并将经纬度数据保存并等待发送。

S02查询网络注册信息，并查看手持GPS/BDS定位仪通信模块中是否附着广域网无线或有线数据业务，其中0代表分离，1代表附着。

S03启动任务并设置接入点APN、用户名、密码，激活场景，发起广域网无线或有线数据连接任务。等待返回指令为OK时，才能进行网络传输连接。

S04获取本地通信地址并建立网络传输连接，当现实CONNECT OK时，表示服务器连接成功，此时便发送各传感器网络节点的经纬度数据。

S05经纬度数据发送以后会在网络层进行数据传递，由广域网运营商通信基站接收后，再将广域网无线或有线数据进行转发。

S06设置本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据通信模块工作模式为网络穿透模式，将使能socket A设置为on状态，并设置本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据通信模块与本地或远程终端的数据通信计算设备中的中的数据处理终端机相连的通信口号、波特率为V。

S07设置socket A为客户端，服务器地址设置为本地服务器地址，服务器端口设置为本地服务器端口。

S08人工输入果蔬智能温室环境监控场地的总面积，并定义果蔬智能温室环境监控传感器网络节点的监测半径参数。

S09本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据通信模块初始化。

S10本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据通信模块将接收到的经纬度数据进行转换，并传送给本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机。

S11计算每一个传感器网络节点两两之间的相对距离；

S12依次判断并处理传感器网络各节点之间是否存在网络信号覆盖重叠及重叠情况，并处理重叠区域面积；

S13在本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机中运行传感器网络覆盖率计算软件模块，计算传感器网络覆盖率。

有益效果：本发明通过提供一种科学、规范、合理的农业物联网领域传感器网络的覆盖率计算及运行方法，能够较准确计算农业物联网应用区域的传感器网络覆盖率，用来解决当下农业物联网的传感器网络覆盖率定义不科学、不规范、不合理的问题，有效提升资源的利用率，并且对农业物联网监控区域的标准化感知模式的设计中有着积极的推进作用。

附表附图说明

图1本发明所述传感器网络覆盖率计算及运行方法的实现工作流程图；

图2本发明所述二传感器网络节点相互重叠部分几何模型；

图3本发明所述三传感器网络节点相互重叠部分几何模型；

图4本发明所述传感器网络覆盖率计算方法实现的算法流程图；

图5本发明所述传感器网络覆盖率计算及运行方法具体实施举例的系统总体架构框图；

图6本发明所述传感器网络覆盖率计算具体实施举例的工程应用现场传感器网络节点部署拓扑图；

图7本发明所述传感器网络覆盖率计算的具体实施举例的实验结果。

具体实施方式

本发明提供了一种具体的实施方式，实施场地为果蔬智能温室环境监控场地。手持GPS/BDS定位仪装置包括经纬度数据采集模块和经纬度数据发送模块。专业技术人员通过手持GPS/BDS定位仪，测量果蔬智能温室环境监控现场中每一个传感器网络节点(采集节点、控制节点、采集控制节点、网关、中继器节点)的经纬度信息，并将传感器网络节点的经纬度数据保存在手持GPS/BDS定位仪内的存储模块中。手持GPS/BDS定位仪内自带的GPRS通信模块发送经纬度数据，并由广域网通信基站接收并进行转发，然后由与作为本地或远程的本地或远程终端的数据通信计算设备的智能基站终端一体机(下同)中的数据通信DTU模块接收。DTU接收GPRS数据，并将其转换为串口数据发送至本地或远程的智能基站终端一体机中的数据处理终端机部分。本地或远程智能基站终端一体机中集成的无线传感器网络计算软件会自动接收由DTU上传的经纬度数据，并进行计算，以得出传感器网络的覆盖率。该具体实施举例的传感器网络覆盖率计算及运行系统总体架构如图5所示。该果蔬智能温室传感器网络覆盖率计算及运行方法的具体工作流程为：

S01通过人工手持GPS/BDS定位仪测量每个传感器网络节点(采集节点、控制节点、采集控制节点、网关、中继节点)的经纬度信息，并将经纬度数据保存并等待发送。

S02查询网络注册信息，并查看手持GPS/BDS定位仪通信模块中是否附着GPRS业务，其中0代表分离，1代表附着。

S03启动任务并设置接入点APN、用户名、密码，激活移动场景，发起GPRS无线连接任务。等待返回指令为OK时，才能进行网络传输连接。

S04获取本地通信地址并建立网络传输连接，当现实CONNECT OK时，表示服务器连接成功，此时便发送各传感器网络节点的经纬度数据。

S05经纬度数据发送以后会在网络层进行数据传递，由GPRS广域网移动运营商通信基站接收后，再将GPRS数据进行转发。

S06设置本地或远程智能基站终端一体机中的DTU工作模式为网络穿透模式，将使能socket A设置为on状态，并设置DTU与本地或远程智能基站终端一体机中终端机相连的RS-485串口通信的串口号为COM1，波特率为9600。

S07设置socket A为客户端，服务器地址设置为本地服务器地址，服务器端口设置为本地服务器端口。

S08人工输入果蔬智能温室环境监控场地的总面积，并定义果蔬智能温室环境监控传感器网络节点的监测半径参数。

S09本地或远程智能基站终端一体机中的DTU初始化。

S10DTU将接收到的经纬度数据转换为串口数据，通过RS-485串口与本地或远程智能基站终端一体机中的数据处理终端机相连的串行通信接口传输DTU中的经纬度数据给本地或远程智能基站终端一体机中的数据处理终端机。

S11计算7个传感器网络节点的每一个传感器网络节点两两之间的相对距离；

S12依次判断并处理传感器网络7个节点之间是否存在网络信号覆盖重叠及重叠情况，并处理重叠区域面积；

S13在本地或远程智能基站终端一体机中的数据处理终端机中运行传感器网络覆盖率计算软件模块，计算传感器网络覆盖率。

对于S13中传感器网络覆盖的计算过程，本发明的一个具体的实施例子的传感器网络覆盖率计算方法如下：

选取7个用于果蔬智能温室环境监控的传感器网络节点组成的传感器网络，有4个采集节点、1个控制节点、1个采集控制节点、1个中继节点，然后在此基础上，建立上述果蔬智能温室环境监控物联网传感器网络(由7个传感器网络节点等组成)监控模型，并通过米勒投影算法建立由X—Y组成的平面直角坐标系。手持GPS/BDS定位仪的采集测量，可获得上述工程应用现场的传感器网络中每一个传感器网络节点在监测区域内的实际经纬度。通过米勒投影算法，即可把地球经纬度转换为X—Y平面直角坐标，并可获得每一个传感器网络节点在上述由X—Y组成的平面直角坐标系中的坐标，同时也可获得每一个传感器网络节点两两之间在X—Y组成的平面直角坐标系内的相对坐标及实际的相对距离。利用米勒投影法进行经纬度与平面直角坐标相互转换并用于测距的方法具体步骤如下：(1)建立西经180度、北纬90度为X—Y组成的平面直角坐标系的原点，X轴与Y轴分别与利用地球的米勒投影法展开的地图的纬线和经线重叠，由此建立了相应的X—Y平面直角坐标系；(2)设定米勒常数为2.3101，将经度和纬度从度数转化为弧度；(3)根据米勒常数，利用米勒投影的转换，将弧度转换为实际距离；(4)创建两个经纬度及其对应的X—Y平面直角坐标系中的坐标的存储数组lat[]，long[]，用来存储所测得的经纬度及其对应的X—Y平面直角坐标系中坐标的信息；(5)计算7个用于果蔬智能温室环境监控的传感器网络节点的每一个传感器网络节点两两之间在X—Y组成的平面直角坐标系内的相对坐标及实际的相对距离。

果蔬智能温室环境监控区域内的传感器网络节点的静态感知范围是以节点所在位置为圆心，感知半径为100米的圆形区域，感知面积为31415.926平方米。假设某一传感器网络节点i(i＝1，2，…，7)所处的位置坐标为(x_i,y_i)，对于监控区域内任一节点的坐标为(x_j,y_j)的位置j(j＝1，2，…，7)，位置i与j的欧几里得距离为l(i,j)，则位置j的传感器网络节点被位置i的传感器网络节点监测到的概率与传感器网络节点的监测半径r的关系为：

由上述模型，只要满足l(i,j)≤100(米)的节点，均为传感器网络节点可监测到的范围。最终传感器网络节点所监测得到的总面积即为这些可监测到的范围的节点的集合。上述实际传感器网络节点部署存在相邻传感器网络节点覆盖区域重叠的情况为两个传感器网络节点覆盖重叠和三个传感器网络节点覆盖重叠，未出现四个及以上传感器网络节点互相重叠的情况。根据果蔬智能温室环境监控现场传感器网络节点部署的实际情况，本算法会自动判断是否出现上述重叠现象及其重叠情况并进行重叠面积处理。

对于两个传感器之间的覆盖区域重叠面积的计算，设点A、点B为存在重叠区域的相邻传感器网络节点，圆A、圆B为此相邻两个传感器网络节点所形成的覆盖范围几何模型。设每个传感器网络节点的检测半径为r(r为100米)，相邻两个传感器网络节点之间的距离为d，这两个量为可预先人为设定和通过手持GPS/BDS定位仪方便测得仅有的两个已知量。根据两个传感器之间的覆盖区域重叠部分的几何模型，通过三角形的余弦定理易得到：

S₁＝2(θ·r²+r²·sinθ·cosθ) (13)

式中，θ为传感器网络节点传输信号覆盖圆相交时的两个传感器网络节点传输信号覆盖圆圆心连接线与两传输信号覆盖圆相交中两个传输信号覆盖圆圆心到两个覆盖圆相交时任一相交点连线的夹角，单位为弧度制。S₁为两个传感器网络节点覆盖范围重叠部分的面积。该果蔬智能温室环境监控的传感器网络内存在8组传感器网络节点覆盖范围二圆重叠面积部分，θ_k为第k(k＝1,2,3,...,8)组传感器网络节点到两个传感器网络节点传输信号覆盖范围内重叠处的交点的线段与两个传感器网络节点相连所构成线段之间的夹角，则根据公式(13)S₁，出现两个传感器网络节点覆盖范围重叠部分的总面积为：

对于三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠时重叠面积的计算，设点A、点B、点C为存在相互重叠情况的三个相邻传感器网络节点。由于各个传感器网络节点的实际坐标已被确定，所以三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠的重叠部分几何模型被确定。本例子在计算机几何画板软件中进行三圆重叠面积模型构建，通过输入传感器网络节点A、传感器网络节点B、传感器网络节点C的相对坐标以及传感器网络节点的监测半径，几何画板软件自动绘出三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠的重叠部分几何模型，此时通过几何画板软件中的平面测距功能，可以快速、准确地自动得出重叠面积中出现的交点DE、EF、FD的实际距离。

设图3三个传感器网络节点传输信号覆盖区域相互重叠时重叠面积中出现的相交点DE、EF、FD之间的距离分别为h₁、h₂、h₃，β₁＝∠DBE，β₂＝∠ECF，β₃＝∠DAF，得：

所得的重叠部分面积为△DEF的面积加上三块弓形区域的面积，得△DEF面积的计算公式为：

式中，p为△DEF周长的二分之一。设a(a＝1,2,3)代表存在三圆重叠区域中的每个传感器网络节点监测区域的编号，同理根据上述三角形面积计算公式可得上述每个传感器网络节点监测区域中对应每块弓形面积计算公式：

该果蔬智能温室环境监控区域的传感器网络内存在2组传感器网络节点覆盖范围三圆重叠面积部分，所以所求三个传感器网络节点互相重叠的总面积S₃计算公式为：

对于传感器网络覆盖率的计算，根据上述公式(14)、(18)可以算得传感器网络覆盖范围的总面积：

S_覆＝7πr²-S₂+S₃ (19)式中，传感器网络节点的总个数为7个，传感器网络节点的监测半径r为100米。定义传感器网络节点覆盖率为δ_覆，监测区域的总面积为S(S为298953平方米)，则根据上述表述，果蔬智能温室环境监控区域的传感器网络节点覆盖率δ_覆为：

为了说明本发明所述的实验效果，本发明在果蔬智能温室环境监控现场进行了上述实验。该实验用工程应用现场的传感器网络拓扑结构如图6所示。果蔬智能温室环境监控工程应用现场传感器网络覆盖率计算实验数据如表1所示，并且其系统计算及运行结果较为精确且合理，如图7所示。本发明通过提供一种科学、规范、合理的果蔬智能温室环境监控现场传感器网络节点部署的覆盖率计算及运行方法，能够较准确地计算农业物联网应用区域的传感器网络覆盖率，用来解决当下农业物联网领域传感器网络覆盖率定义不科学、不规范、不合理的问题，有效提升资源的利用率，并且对农业物联网领域中监控区域标准化感知模式的设计中有着很好的应用作用。

表1

Claims (6)

1.一种用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法，包括适用于农业物联网的传感器网络节点经纬度采集方式、传感器网络节点经纬度数据通信途径与本地或远程终端的数据通信计算设备中的传感器网络覆盖率计算软件；传感器网络节点之间的通信方式可以采用无线通信方式，可以采用有线通信方式，也可以采用无线和有线通信方式的组合；农业物联网的传感器网络节点包括传感器采集节点、控制节点、传感器控制节点、网关节点、中继节点；传感器网络节点经纬度采集系统是通过手持GPS/BDS定位仪采集模块测量完成；传感器网络节点经纬度数据传输系统由手持GPS/BDS定位仪通信模块、广域网络通信基站及本地或远程终端的数据通信计算设备中的通信模块和数据处理终端机部分组成；系统通过手持GPS/BDS定位仪测得各传感器网络节点经纬度信息，将其转换为广域网无线或有线数据进行发送，再由广域网络通信基站接收数据并进行转发，本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据通信模块接收广域网无线或有线数据并将数据进行转换，并传送至本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机部分；其特征在于，所述的计算及运行方法集成于本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机中的传感器网络覆盖率算法及其软件，并由本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机中的数据接收模块、传感器网络覆盖率计算模块、用户交互界面模块组成，并且该计算及运行方法包括以下步骤：

S01通过人工手持GPS/BDS定位仪测量每个传感器网络节点的经纬度信息，并将经纬度数据保存并等待发送；

S02查询网络注册信息，并查看手持GPS/BDS定位仪通信模块中是否附着广域网无线或有线数据业务，其中0代表分离，1代表附着；

S03启动任务并设置接入点APN、用户名、密码，激活场景，发起广域网无线或有线数据连接任务，等待返回指令为OK时，进行网络传输连接；

S04获取本地通信地址并建立网络传输连接，当实现CONNECT OK时，表示服务器连接成功，此时便发送各传感器网络节点的经纬度数据；

S05经纬度数据发送以后会在网络层进行数据传递，由广域网运营商通信基站接收后，再将广域网无线或有线数据进行转发；

S06设置本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据通信模块工作模式为网络穿透模式，将使能socket A设置为on状态，并设置本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据通信模块与本地或远程终端的数据通信计算设备中的中的数据处理终端机相连的通信口号、波特率为V；

S07设置socket A为客户端，服务器地址设置为本地服务器地址，服务器端口设置为本地服务器端口；

S08人工输入果蔬智能温室环境监控场地的总面积，并定义果蔬智能温室环境监控传感器网络节点的监测半径参数；

S09本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据通信模块初始化；

S10本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据通信模块将接收到的经纬度数据进行转换，并传送给本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机；

S11计算每一个传感器网络节点两两之间的相对距离；

S12依次判断并处理传感器网络各节点之间是否存在网络信号覆盖重叠及重叠情况，并处理重叠区域面积；

S13在本地或远程终端的数据通信计算设备中的数据处理终端机中运行传感器网络覆盖率计算软件模块，计算传感器网络覆盖率。

2.根据权利要求1所述的用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法，其特征在于，传感器网络节点的静态感知范围是以节点所在位置为圆心，感知半径为r的圆形区域，感知面积为π×r²；假设某一传感器网络节点i所处的位置坐标为(x_i,y_i)，其中i＝1，2，…，n、n为传感器网络节点的总个数；对于监控区域内任一节点的坐标为(x_j,y_j)的位置j，其中j＝1，2，…，n、n为传感器网络节点的总个数，位置i与j的欧几里得距离为l(i,j)，则位置j的传感器网络节点被位置i的传感器网络节点监测到的概率与传感器网络节点的监测半径r的关系为：

由上述模型，只要满足l(i,j)≤r的节点，均为传感器网络节点可监测到的范围，最终传感器网络节点所监测得到的总面积即为这些节点可监测到的范围的集合；通过对实际传感器网络节点部署环境中传感器网络节点部署效率的最大化考虑，可能会存在相邻传感器网络节点覆盖区域重叠的情况；由于实际应用的需要，本计算方法中仅考虑两个传感器网络节点覆盖区域相互重叠及三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠时所出现的重叠面积处理方法问题；根据工程应用现场传感器网络节点部署的实际情况，本计算方法自动判断是否出现重叠现象及其重叠情况，并对重叠面积计算处理。

3.根据权利要求1所述的用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法，其特征在于，要从事用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算，首先需要建立一个需要计算农业物联网传感器网络覆盖率的具体工程应用现场的监控区域内的传感器网络监控模型，然后在此基础上建立由X—Y组成的平面直角坐标系，再通过GPS/BDS仪的检测，获得每个传感器网络节点在监测区域内的实际经纬度，后通过米勒投影法实现经纬度和由X—Y组成的平面直角坐标系中的坐标的相互转换，从而进一步获得传感器网络节点之间的距离；传感器网络节点之间的距离计算的具体步骤如下：(1)建立西经γ度、北纬ζ度为X—Y组成的平面直角坐标系的原点，X轴与Y轴分别与利用地球的米勒投影法展开的地图的纬线和经线重叠，由此建立了相应的X—Y平面直角坐标系；(2)设定米勒常数，该米勒常数值通常取在±2.3101之间，将经度和纬度从度数转化为弧度；(3)根据米勒常数，利用米勒投影的转换，将弧度转换为实际距离；(4)创建两个经纬度及其对应的X—Y平面直角坐标系中的坐标的存储数组，用来存储所测得的经纬度及其对应的X—Y平面直角坐标系中坐标的信息；(5)计算每一个传感器网络节点两两之间在X—Y组成的平面直角坐标系内的相对坐标及实际的相对距离。

4.根据权利要求1所述的用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法，其特征在于，对于两个传感器之间的覆盖区域重叠面积的计算，设点A、点B为存在重叠区域的相邻传感器网络节点，圆A、圆B为此相邻两个传感器网络节点所形成的覆盖范围几何模型；设相邻两个传感器网络节点之间的距离为d，这两个量为可预先人为设定和通过手持GPS/BDS定位仪方便测得仅有的两个已知量；根据两个传感器之间的覆盖区域重叠部分的几何模型，通过三角形的余弦定理易得到：

S₁＝2(θ·r²+r²·sinθ·cosθ) (3)

式中，θ为传感器网络节点传输信号覆盖圆相交时的两个传感器网络节点传输信号覆盖圆圆心连接线与两传输信号覆盖圆相交中两个传输信号覆盖圆圆心到两个覆盖圆相交时任一相交点连线的夹角，单位为弧度制；S₁为两个传感器网络节点覆盖范围重叠部分的面积；设农业物联网应用监控区域内存在两传感器网络节点传输信号覆盖圆相交的第k组传输信号覆盖圆重叠面积部分，节点传输信号覆盖圆半径为r，k＝1,2,3...,m，m为两传感器网络节点传输信号覆盖圆相交的重叠面积个数的总数，θ_k为第k组传感器网络节点传输信号覆盖圆相交时的两个传感器网络节点传输信号覆盖圆圆心连接线与两传输信号覆盖圆相交中两个传输信号覆盖圆圆心到两个覆盖圆相交时任一相交点连线的夹角，并根据公式(3)S₁，出现两个传感器网络节点传输信号覆盖范围重叠部分的总面积为：

5.根据权利要求1所述的用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法，其特征在于，对于三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠时重叠面积的计算，设点A、点B、点C为存在相互重叠情况的三个相邻传感器网络节点；由于各个传感器网络节点的实际坐标已被确定，所以三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠的部分几何模型被确定；在多种计算机几何画板软件或几何制图软件中，通过输入传感器网络节点A、传感器网络节点B、传感器网络节点C的相对坐标以及传感器网络节点的监测半径，几何画板软件或几何制图软件将会自动绘出三个传感器网络节点覆盖区域相互重叠的重叠部分几何模型，此时通过几何画板软件或几何制图软件中的平面测距功能，可以快速、准确地自动得出重叠面积中出现的交点DE、EF、FD的实际距离；

设三个传感器网络节点传输信号覆盖区域相互重叠时重叠面积中出现的相交点DE、EF、FD之间的距离分别为h₁、h₂、h₃，β₁＝∠DBE，β₂＝∠ECF，β₃＝∠DAF，得：

所得的重叠部分面积为△DEF的面积加上三块弓形区域的面积，得△DEF面积的计算公式为：

式中，p为△DEF周长的二分之一；设a代表存在三圆重叠区域中的每个传感器网络节点监测区域的编号，其中a＝1,2,3；同理根据上述三角形面积计算公式可得上述每个传感器网络节点监测区域中对应每块弓形面积计算公式：

设农业物联网应用监控区域内存在以r为半径的三传感器网络节点传输信号覆盖圆相交的第b组传输信号覆盖圆重叠面积部分，b＝1,2,3,...,λ，λ为三传感器网络节点传输信号覆盖圆相交的重叠面积个数的总数，则所求三个传感器网络节点互相重叠部分的总面积S₃计算公式为：

6.根据权利要求1或权利要求4或权利要求5所述的用于农业物联网的传感器网络覆盖率计算及运行方法，其特征在于，对于传感器网络覆盖率的计算，根据上述公式(4)、(8)可以算得传感器网络覆盖范围的总面积：

S_覆＝nπr²-S₂+S₃ (9)

式中，n为传感器网络节点的总个数，r为传感器网络节点监测半径；定义传感器网络节点覆盖率为δ_覆，监测区域的总面积为S，则根据上述表述，传感器网络节点覆盖率δ_覆为：

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