CN201444638U

CN201444638U - 基于无线传感器网络的植物声发射信号自动检测系统

Info

Publication number: CN201444638U
Application number: CN2008201650736U
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: 2010-04-28
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物声发射信号自动检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种植物检测装置，尤其是检测作物水分胁迫声信号的自动测量装置。

背景技术

作物的生长发育，需要众多的环境因子，当这些环境因子变化对作物产生伤害效应时，称之为胁迫。作物在生长过程中，常遭受多种环境胁迫。研究证实，水分亏缺对作物生长发育和产量的影响超过所有其他胁迫的总和。因此，作物水分的管理是作物生产中最为重要的措施之一。

随着水资源的日益紧缺，世界各国水资源供求之间的矛盾越来越突出。解决这个矛盾的根本出路是大力发展和推广精量灌溉，它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。为了有效地进行精量灌溉，人们从不同方面研究作物缺水状况的评价方法，制定了相应的灌溉指标。这些指标可以分为间接指标(包括土壤指标和气象指标)和直接指标(作物生理指标)。研究证明，利用作物生理指标作为作物缺水诊断及灌溉控制指标，更为合理。因此，对各种作物生理指标的研究，受到越来越多的关注。其中，作物水分胁迫声发射技术，因其具有快速测定且不具破坏性等特点，日益受到众多学者的推崇。

对于作物水分胁迫声发射技术的研究开始于1966年，Milburn和Johnson把蓖麻作为研究对象，利用一个改进的听筒听取了水柱断裂时产生的“咔嗒”声，但是因为在音频范围内采集信号，其精度受到环境噪声的很大影响。Tyree等对此进行了改进，在超音频范围内采集声发射信号以避免环境噪声的干扰，使声发射法简便可行，并研制出了以单片机为核心的作物水分胁迫声发射监测仪器，能够完成现场声发射数据自动采集与记录。此后，国内的研究人员也研究和开发了基于作物水分胁迫声发射技术的温室作物灌溉自动控制系统。

上述成果存在的明显不足是：(1)通信技术主要采用有线通信技术。虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但是实际的应用环境具有长期高温、潮湿、土壤及空气具有较高的酸碱性等特点，极容易导致通信电缆的老化，从而降低系统的可靠性。(2)传感器采用有线方式工作。在应用于实际的农业生产时，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，提供一种植物声发射信号检测装置的改进，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：基于无线传感器网络的植物声发射信号自动检测系统，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。

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。

所述的每个声发射传感器通过弹性材料系挂在植物茎部表面。

所述的弹性材料是橡皮筋。

本实用新型的工作原理是：

水分运输的内聚力理论阐述了水在SPAC(土壤-植物-大气连续体)系统中运输时是处于一定的负压力或张力下的。当土壤变得干燥时，该张力就会增加；当张力超过一个极限值时，由于水分子间的内聚力失效或对导管壁的附着力失效，水柱的连续体就不能再保持下去，从而发生断裂或抽空，这就是植物木质部的空穴现象。植物木质部出现空穴现象的同时，张力会突然释放而产生冲击波，并伴有声发射信号的产生。声发射信号在超音频(100～300kHz)范围内，该声发射信号被无线传感器网络节点1中的声发射传感器12检测到并记录下来作为植物水分胁迫的指示指标；传感器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数据进行计算，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掌上电脑(PDA)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、能够有效覆盖监测区域，且运行成本低；由于采用无线传感器网络，因而能够有效覆盖整个检测区域并保持现场井然有条；根据作物的生长周期，监测系统能够依靠自身的电池，连续运行1个月以上，运行成本极低。

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，能够通过相关的电源处理，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；以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原理示意图。

图2是本实用新型中的声发射传感器在植物茎干上的安装位置示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，该基于无线传感器网络的植物声发射信号自动检测系统，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包括声发射传感器12和配套模块，其主要功能是：(1)感知、采样作物的声发射信号；(2)将声发射信号转换成微弱的电信号，并进行A/D转换；这些无线传感器网络节点通过一个或数个网关2、基站3与远程数据库服务器4进行通信；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。

由图2可知：所述的每个声发射传感器12通过弹性材料11(推荐采用橡皮筋)系挂在植物茎干10的表面；声发射传感器上引出的细电缆13与置放在地面的配套模块连接，以减轻植物茎干所承受的压力。

无线传感器网络节点的主要功能是：(1)感知、采样植株的声发射信号；(2)将植株的声发射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(包括声发射传感器、信号调节和数模转换)、数据处理模块(CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、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。声发射传感器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。

声发射传感器选用富士陶瓷株式会社(Fuji Ceramics Corporation)生产的AE144A型谐振式声发射传感器，主要性能指标是：谐振频率140±20％kHz；灵敏度(Ref V/m/s)63±3；外形尺寸φ8×17.5H mm；工作温度范围-20～+80℃；重量4.6gm；功耗50mA(工作电压28V)。

数据处理模块是WSN节点的核心部件，负责数据处理、数据存储、电池能量监测、系统任务调度、执行通信协议(包括MAC/路由协议)和节点调度管理等工作。设计时采用TI MSP430F5418微控制器，它具有128KB Flash、16KB RAM、12Bit ADC。之所以选择MSP430F5418，主要是出于以下三个方面的考虑：首先，MSP430F5418采用16-Bit RISC体系结构使其具有较高的计算性能；其次，MSP430F5418可用开源开发软件工具成熟且TinyOS操作系统对其支持较好；第三，MSP430F5418的功耗极低，运行模式(Active Mode)下功耗为165μA/MHz，等待模式(Standby Mode)下功耗为2.6μA，断开模式(Off Mode)下功耗为1.6μA，关机模式(Shutdown Mode)下功耗为0.1μA。

无线通信模块负责WSN节点之间以及WSN节点与网关之间进行通信、WSN节点之间交换控制信息和收发所采集的数据。考虑到成本、能耗、启动时间、数据传输速率、接收与发送功率等因素以及TinyOS已包含CC2500驱动支持的原因，设计时采用低成本低功率2.4GHz RF芯片CC2500。CC2500具有体积小(QLP4×4mm包装，20引脚)、高灵敏度(在2.4kBaud时为-104dBm，1％数据包误码率)、低电流消耗(接收模式下在250kBaud时电流消耗为13.3mA)、可编程数据传输率(范围为1.2～500kBaud)、可编程输出功率(最高可达+1dBm)等特点，启动时间(从睡眠模式到RX模式或TX模式)为240μs。

电源模块负责提供WSN节点正常工作时所必需的能源。如上所述，如图2所示的数据采集子系统的工作电流为50mA，工作电压为28V。因此，所设计的WSN节点，其电源子系统设计为由太阳能板供电。

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物声发射信号自动检测系统，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，每个节点包括声发射传感器(12)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(4)通信；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。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的植物声发射信号自动检测系统，其特征在于该系统还包括一弹性材料(11)，所述的每个声发射传感器(12)通过该弹性材料(11)系挂在植物茎部表面。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的植物声发射信号自动检测系统，其特征在于所述的弹性材料是橡皮筋。