CN201307003Y

CN201307003Y - 基于无线传感器网络的植株茎直径微变化自动检测系统

Info

Publication number: CN201307003Y
Application number: CNU2008201650717U
Authority: CN
Inventors: 高峰; 卢尚琼; 张文安
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2018-09-26

Abstract

本实用新型涉及一种植物检测装置。目的是提供的植物声发射信号检测装置应具有功耗低、可靠性强、安装及维护便利等特点，并且成本较低。技术方案是：包括随机部署在田间不同植株茎上的一组无线传感器网络节点，每个节点包括声发射传感器和及配套模块；所述的无线传感器网络节点通过一个或数个网关、基站与远程数据库服务器通信；数据传送的过程是每个无线传感器网络节点所采集的数据通过相邻节点接力传送的方式传送回网关，网关将数据处理后转发给基站，通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给远程数据库服务器；其特征在于所述的每个声发射传感器设置在植物茎部，以直接感知植物的声发射信号。

Description

基于无线传感器网络的植株茎直径微变化自动检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种植物检测装置，尤其是检测植株茎直径微变化的自动测量装置。

背景技术

农业水资源利用效率低，短缺与浪费现象并存，是当前中国灌溉农业发展面临的主要问题。解决这个问题的根本出路是大力发展和推广精量灌溉，即根据作物需水信息适时、适量地进行科学灌溉，达到节水增产的目的。因此，对作物水分状况进行实时监测与诊断是精量灌溉的基础与保障。

从植物生理学角度讲，植物器官(茎、叶、果实等)体积微变化动态与其体内的水分状况密切相关；当根系吸水充足时茎杆微膨胀，水分亏缺时茎杆微收缩。这就为使用茎直径微变化诊断方法指导植物灌溉提供了可能。

利用植株茎直径变化监测作物水分状况的相关试验研究从20世纪60年代后期就已经开始。随着研究工作的不断深入，人们对茎直径变化规律的认识也不断增强，并开始逐步尝试将取得的研究成果应用于田间灌溉管理上，也取得一些进展。

植株茎直径变化法与其它作物水分监测诊断方法如湿度计法、压力室法、蒸散法和叶片相对含水量法等相比，显示出其简单易行、对植株不具破坏性、可连续监测和自动记录的特点，有望成为精量灌溉自动控制系统的最佳配套技术。但是，从所发表的成果来看，现有系统还存在明显不足：(1)通信技术主要采用串行总线技术和现场总线技术等有线通信技术。虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但是实际应用时，由于设施内环境长期高温、潮湿且土壤及空气具有较高的酸碱性，极容易导致通信电缆的老化，从而降低系统的可靠性。(2)传感器工作在有线方式。在实际的农业生产应用时，需要密布传感器节点，才能实现对监测区域的有效覆盖，这将导致农业设施内部线缆纵横交错，系统安装及维护成本急剧增加。这两个因素，极大地限制了已有成果在生产实际中的推广应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种植株茎直径变化检测装置的改进，该装置应具有功耗低、可靠性强、安装及维护便利等特点，并且成本较低。

本实用新型采用的技术方案是：包括随机部署在田间各处的一组无线传感器网络节点，每个节点包括线形位移传感器(LVDT)和配套模块；所述的无线传感器网络节点通过一个或数个网关、基站与远程数据库服务器通信；数据传送的过程是每个无线传感器网络节点所采集的数据通过相邻节点接力传送的方式传送回网关，网关将数据处理后转发给基站，通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给远程数据库服务器；其特征在于所述的每个线形位移传感器安装在植株茎部，以直接感知、测量植株茎直径的微变化信息。

所述的配套模块包括数据处理模块、无线通信模块及能量供应模块。

所述的每个线形位移传感器固定在支架上，支架再定位在植株茎部。

所述的支架通过弹性材料定位在植株茎部。

所述的线形位移传感器的探测头贴合在植株茎部表面，并与植株茎部表面保持垂直状态。

所述的线形位移传感器的探测头与植株茎部表面之间夹有一弹性垫圈。

本实用新型的工作原理是(如图1)：线形位移传感器1定时检测植株茎直径的变化信息，测得的数据依次通过网关2及基站3发送(以卫星信道或者有线网络连接的方式)给远程数据库服务器4，中央计算机或研究人员根据获取的据进行计算，从而得出是否需要灌溉的决策。如需灌溉，则启动具有控制功能的无线传感器网络节点5，控制不同功率(中小功率)的直流电磁阀，实施精量灌溉。

本实用新型的有益效果是：

1、能够实时感知、采样和存档数据，并将采集到的数据进行有效的管理，以及时传送到研究人员手中进行在线或离线的数据挖掘和分析。

2、数据的访问与控制便利；研究人员可以在现场通过PDA(掌上电脑)直接查询系统中的每一个传感器、调整运行参数以及其他调试工作。在系统运行期间不需要到现场进行维护和管理，远程控制站点能够通过Internet或Intranet对传感器进行访问和控制。

3、能耗低；根据作物的生长周期，监测系统能够连续运行至少1个月以上。在此期间，系统能够依靠自身的电池工作，完成正常工作。

4、能够实施控制操作；具有简单控制功能的无线传感器网络节点，采用电池供电，通过相关的电源处理可以控制不同功率的直流电磁阀(电动水动电磁阀、减压阀、调压阀、安全阀及流量控制阀等)。使人们可以随时、随地、远程、精确获取作物需水信息，并且实施精量灌溉。

与传统定点布设的具有专门信号处理的高品质传感器方法相比，系统具有如下显著特点：由于采用无线通信技术，使得系统具有低功耗、成本低廉、可靠性好、扩展灵活、安装与维护方便等优点，并能实现对监测区域的全覆盖监测。系统可以在温室、苗圃等区域，实现农业与生态节水技术的定量化、规范化、模式化、集成化，促进节水农业的快速和健康发展。

附图说明

图1是本实用新型的系统组成示意图。

图2是本实用新型中的线形位移传感器在植株横向枝条上的安装位置示意图。

图3是本实用新型中的线形位移传感器在植株竖直茎干上的安装位置示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，该基于无线传感器网络的植株茎直径微变化自动检测系统，包括随机部署在田间不同植株茎上的一组无线传感器网络节点，每个节点1包括线形位移传感器18和配套模块(包括数据处理模块、无线通信模块及能量供应模块)。这些无线传感器网络节点所采集的数据通过一个或数个网关2、基站3传送给远程数据库服务器4；所述的每个线形位移传感器设置在植株茎部(茎部高度位置根据需要确定)，以直接感知、测量茎直径的微变化。

为减轻植株承受的重量，配套模块自行包装成一体并放置在地面；每个线形位移传感器上引出一根细电缆16与地面的配套模块连通。

为保证探测数据的精确以及具有可比性，传感器的定位应当相对稳定；因而所述的每个线形位移传感器固定在轻质金属制成的支架上(支架应尽可能轻一些，以减轻植物压力)，支架又定位在植株茎部。图2中，支架由铁条10和20以及铝条11和12构成，线形位移传感器18固定在铝条上，其前端的探测头贴合在横向伸展的枝条15的表面；作为最佳，传感器的探测头应与植株茎部表面保持垂直状态，探测头与植株茎部表面之间还夹有一弹性垫圈19作为缓冲保护。图3与图2的不同点是，由于是在竖直的茎干30上，为防止支架滑落，铁丝21在铁条12绕上1、2圈又围住茎干，另用弹性材料22(推荐采用橡皮筋)轻轻勾拉铁丝21的两个端头。在保证支架不会滑脱的前提下，应尽可能减小弹性材料的拉力，避免植株受到过大的干扰。

无线传感器网络节点的主要功能是：(1)感知、采样植株茎直径微变化信号；(2)将茎直径微变化信号转换成微弱的电信号，并进行A/D转换；(3)执行组网、路由和初步的数据处理任务。

无线传感器网络节点主要包括：传感器模块(包括传感器、信号调节和数模转换)、数据处理模块(CPU、存储器、嵌入式操作系统)、无线通信模块及能量供应模块。节点设计了两块电路板：传感器板与处理器板，它们之间通过插槽互连。LVDT连接到传感器板的相应接口上，处理器模块、能量供应模块和无线通信模块等集成在处理器板上。

传感器选择德国Ecomatik公司的低功耗DD型线形位移传感器，其主要性能指标为：测量范围：11mm，通过重调测量范围可一直扩大；准确性：7μm；分辨率：<7μm；线性：±0.5％；温度系数：0.04％/℃；应用环境：-30℃~40℃(温度)、0~100％(湿度)；重量：13g(不含电缆)；电缆长度：标准电缆长2m，可延长至100m；输出电压：0-2500mV。它负责监测树枝、树干、植株茎及其它杆状植物器官的直径微变化。

数据处理模块采用微控制器TI MSP430，其主要性能指标为：10KB RAM、48KBF1ash、正常工作电流2mA、睡眠模式下的电流1μA。它负责控制传感器数据采集、无线收发、液晶显示(可选)、电池能量监测、各硬件模块功耗以及系统任务调度、MAC/路由协议执行等。

无线通信模块核心为CC2420，它支持ZigBee协议，主要性能指标为：工作频段2400MHz、传输速率250kbit/s、电流19.7mA、灵敏度-94dB、功率-3dBm、调制方式O-QPSK。

能量供应模块由可充电锂电池(容量1200mAh)、智能电池监视器(DS2438)、锂电池保护芯片(R5426)、锂电池充电器(MAX1555)、电源处理电路及外围接口电路组成，为节点提供智能充电和电路短路保护等功能。外部电源由太阳能供电系统提供。

本实用新型中无线传感器网络节点中的所有元器件可全部外购。

Claims

1、基于无线传感器网络的植株茎直径微变化自动检测系统，其特征在于包括随机部署在田间不同植株茎上的一组无线传感器网络节点，每个节点包括线形位移传感器(18)和配套模块；所述的无线传感器网络节点(1)通过一个或数个网关(2)、基站(3)与远程数据库服务器(4)通信。

2、根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的植株茎直径微变化自动检测系统，其特征在于所述的配套模块包括处理器模块、无线通信模块及能量供应模块。

3、根据权利要求1或2所述的基于无线传感器网络的植株茎直径微变化自动检测系统，其特征在于所述的每个线形位移传感器固定在支架上，支架再定位在植株茎部。

4、根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的植株茎直径微变化自动检测系统，其特征在于所述的支架通过弹性材料(22)定位在植株茎部。

5、根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的植株茎直径微变化自动检测系统，其特征在于所述的线形位移传感器的探测头贴合在植株茎部表面，并与植株茎部表面保持垂直状态。

6、根据权利要求5所述的基于无线传感器网络的植株茎直径微变化自动检测系统，其特征在于所述的线形位移传感器的探测头与植株茎部表面之间夹有一弹性垫圈(19)。