CN203537568U - 基于无线传感网络的温室环境监测系统 - Google Patents

基于无线传感网络的温室环境监测系统 Download PDF

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马为红
吴华瑞
刘论
缪祎晟
李庆学
李飞飞
张翊超
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北京农业信息技术研究中心
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Abstract

本实用新型提出的基于无线传感网络的温室环境监测系统具有传感器采集节点、网关节点、服务器和用户终端四级结构,服务器包括生成可供用户终端远程访问的报警信息的报警模块,实现了对温室环境的远程实时监测和对异常数据的实时智能告警。

Description

基于无线传感网络的温室环境监测系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及无线传感技术,更具体涉及一种基于无线传感网络的温室环境监测系统。
背景技术
[0002] 农业温室环境的主要监测方式有人工手工记录和电子设备自动记录等。
[0003] 近年来,随着无线小型组网技术的发展,出现了采用2.4G或433M等频段局域组网接收采集的环境参数信息再传输到数据处理中心的技术。
[0004] 随着农业环境监测越来越智能化、精细化,迫切需要对温室环境进行远程实时监测和对异常数据实时智能告警的系统。
实用新型内容
[0005](一)要解决的技术问题
[0006] 在本实用新型中,要解决的技术问题是如何实现对温室环境的远程实时监测和对异常数据实时智能告警。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为解决上述技术问题,本实用新型提供了一种基于无线传感网络的温室环境监测系统,其特征在于,该系统包括传感器采集节点、网关节点、服务器和用户终端:
[0009] 传感器采集节点,包括用于采集环境参数信息的传感器和用于向网关节点发送所述环境参数信息的第一无线通讯模块;
[0010] 网关节点,包括用于接收所述环境参数信息的第二无线通讯模块和用于向服务器传送所述环境参数信息的GSM/GPRS通讯模块;
[0011] 服务器,包括与网关节点和与用户终端进行数据通讯的服务器通讯模块和用于当所述环境参数信息超出设定的阈值区间时生成可供用户终端远程访问的报警信息的报警模块;
[0012] 用户终端,包括用于远程访问所述环境参数信息的终端通信模块和显示所述环境参数信息的显示装置。
[0013] 优选地,传感器采集节点还包括用于在故障时自动复位的看门狗模块。
[0014] 优选地,传感器采集节点还包括用于实时显示所述环境参数信息的显示单元。
[0015] 优选地,传感器采集节点还包括用于在所述环境参数信息超出设定的阈值区间时报警的报警单元。
[0016] 优选地,所述报警模块还用于将所述报警信息发送给用户终端。
[0017] 优选地,所述传感器包括环境温度传感器、环境湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器、土壤PH传感器、土壤电导率传感器、氮素传感器中的一种或多种。
[0018] 优选地,所述第一无线通讯模块、第二无线通讯模块、GSM/GPRS通讯模块、服务器通讯模块和终端通信模块均为双向通讯模块;
[0019] 用户终端包括配置模块,用于配置传感器采集节点的配置参数,所述配置参数通过终端通信模块、服务器通讯模块、GSM/GPRS通讯模块、第二无线通讯模块和第一无线通讯模块发送到传感器采集节点;
[0020] 传感器采集节点包括存储模块,用于储存所述配置参数。
[0021] 优选地,传感器采集节点为多个,一部分传感器采集节点的第一通信模块接收其他若干个传感器采集节点传送的环境参数信息,并转发给网关节点。
[0022] 优选地,传感器采集节点的电源包括多个电压等级不同的供电接口,传感器采集节点的各个模块根据需要连接到相应电压等级的供电接口。
[0023] 优选地,用户终端包括手机、个人电脑、平板电脑、LED显示屏中的一种或多种。
[0024](三)有益效果
[0025] 本实用新型提出的基于无线传感网络的温室环境监测系统具有传感器采集节点、网关节点、服务器和用户终端四级结构,实现了对温室环境的远程实时监测。同时,服务器包括生成可供用户终端远程访问的报警信息的报警模块,实现了对异常数据的实时智能告
目O
附图说明
[0026] 图1是根据本实用新型一个实施例的基于无线传感网络的温室环境监测系统的结构示意图。
[0027] 图2是根据本实用新型一个实施例的传感器节点的结构示意图。
[0028] 图3是根据本实用新型一个实施例的传感器节点的供电示意图。
[0029] 图4是根据本实用新型一个实施例的网关节点的结构示意图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本实用新型,而不能用来限制本实用新型的范围。
[0031] 图1是根据本实用新型一个实施例的基于无线传感网络的温室环境监测系统的结构示意图。由图1可以看出,该系统包括传感器采集节点1、网关节点2、服务器3和用户终端4:
[0032] 传感器采集节点1,包括用于采集环境参数信息的传感器和用于向网关节点发送所述环境参数信息的第一无线通讯模块;
[0033] 网关节点2,包括用于接收所述环境参数信息的第二无线通讯模块和用于向服务器传送所述环境参数信息的GSM/GPRS通讯模块;
[0034] 服务器3,包括与网关节点2和与用户终端4进行数据通讯的服务器通讯模块和用于当所述环境参数信息超出设定的阈值区间时生成可供用户终端4远程访问的报警信息的报警模块;
[0035] 用户终端4,包括用于远程访问所述环境参数信息的终端通信模块和显示所述环境参数信息的显示装置。下面具体介绍传感器采集节点、网关节点、服务器和用户终端的结构及其功能。[0036] 如图2所示,传感器采集节点主要包括微型处理器、多个传感器和近距离无线通讯模块两部分组成,微型处理器控制各传感器采集环境参数信息,传感器包括环境温度传感器、环境湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器、土壤PH传感器、土壤电导率传感器中的一种或多种,实际应用时根据不同作物的温室环境监测需求添加不同类型的传感器。传感器采集节点还可以包括实时时钟,为节点提供实时时间信息。传感器采集节点的配置信息主要保存在掉电不遗失的E2PROM存储模块中。显示单元本地实时显示采集的环境参数。当环境参数超过设定的阈值时,通过声光报警单元本地报警。传感器采集的各参数信息通过近距离无线通讯模块发送给网关节点,实现采集数据的实时上传功能。
[0037] 如图3所示,传感器采集节点的电源包括三级供电接口,首先通过将太阳能电池或者适配器提供的电源转化成12V直流电供电,12V供电的模块有土壤水分传感器、氮素传感器等。12V电源经过降压后转化为5V为土壤温度传感器、二氧化碳传感器供电。再将电源转化为3.3V为光照强度传感器、环境温湿度传感器、近距离无线通讯模块、显示单元、存储单元、报警单元、实时时钟等供电。
[0038] 传感器采集节点具体工作流程如下:传感器采集节点上电初始化,初始化后传感器节点开始寻找网关节点建立的网络并且申请加入,当传感器采集节点没有加入网络时会重复申请加入。当采集节点加入到网关节点建立的网络后,采集各个传感器的数据并且通过显示单元实时显示,液晶屏显示的刷新频率为1HZ,定时时钟按每秒累计计时,传感器节点将获得的各个传感器采集的环境参数与设置的阈值区间进行比对。当采集到的各个环境参数超出设置的阈值区间时,传感器采集节点的声光报警单元采用声光进行报警,之后判断定时时钟计时是否达到配置的上传周期,当传感器节点采集的数据超出设定的阈值区间时,直接判断定时器计时达到配置的上传周期从而上传数据。当未达到配置的上传周期时继续采集各传感器参数并在液晶屏显示,直到定时时钟计时周期达到配置的上传周期,此时定时时钟计时清零,传感器节点把采集到的数据以点对点短距离无线通讯的方式发送到网关节点。
[0039] 另外,传感器采集节点通过中断的方式响应网关节点发送过来的服务器配置指令,具体中断工作流程如下:
[0040] 传感器采集节点的处理芯片收到服务器中断配置请求时,判断有没有比配置更紧急的事情要处理,如果没有则保存断点入口和保护现场寄存器状态,然后接受并响应服务器端发送过来的配置指令,并把最新的配置参数保存在掉电不遗失的E2PROM里,再读取最新的配置参数,并且赋给各采集参数的阈值区间,最后进入到中断入口和保护的现场继续执行其他内容。由于传感器采集节点长期在高温高湿的环境下运行,因此还配置了看门狗模块,当设备出现问题时,看门狗模块自动复位使采集设备正常运行,并且发送复位信息给服务器端。当无线网络断开时,传感器节点自动重新连接网关节点,保证了传感器节点的正常运行;当传感器采集节点正常运行24小时,看门狗模块自动复位,防止节点长时间运行死机的情况出现,保证了系统的可持续正常运行。
[0041] 网关节点主要包括微型处理器、电源模块、GSM/GPRS模块和短距离无线通讯模块,微型处理器控制GSM/GPRS模块和短距离无线通讯模块进行通讯,电源模块用于给微型处理器、GSM/GPRS模块和短距离无线通讯模块供电,如图4所示。[0042] 网关节点的主要功能为通过短距离无线通讯模块收集传感器采集节点发送过来的环境参数,并且把环境参数通过GSM/GPRS模块发送到服务器端;接受服务器端传送过来的配置指令,并把配置指令下发给各个传感器节点。
[0043] 具体工作流程如下:首先,网关节点上电初始化,然后GSM/GPRS模块首先注册GSM,当没有注册到GSM时,节点继续注册,注册成功后,GPRS开始连接服务器直至连接上,随后启动短距离无线通讯模块,创建一个小型网络,等待传感器采集节点的加入,当有传感器采集节点请求加入时,允许其加入并为其分配地址,然后网关节点开始监听数据信息。当接收到传感器采集节点发送的环境参数时,网关通过GPRS把采集数据发送到服务器;当接收到服务器发送过来的配置指令时,网关节点以点对点的方式同时发送给所在网络的各采集节点,传感器采集节点根据配置指令内容判断是否为配置本节点的指令,如果是则响应相关配置指令。
[0044] 当网关的GSM/GPRS模块由于某种原因自动断开服务器时,网关自动重新连接服务器。网关节点每正常运行24小时后自动复位,保证网关节点的正常运行,当短距离通讯网络由于某种原因断开时,网关节点自动重新建立网络等待传感器采集节点加入,实现了系统稳定可持续的运行。
[0045] 服务器,包括用于接收所述环境参数信息和向用户终端传送所述环境参数信息的服务器通讯模块;用户终端包括用于接收所述环境参数信息和向用户终端传送所述环境参数信息的服务器通讯模块,可以为手机、个人电脑、平板电脑中的一种或多种。同样支持远程LED显示屏实时显示采集数据,例如让控制LED显示屏的电脑定时访问服务器,调取服务器的数据并且在LED屏实时显示。
[0046] 所有传感器采集节点把环境参数信息通过网关上传至服务器。服务器将环境参数信息实时发送给用户终端或者存储到数据库,用户终端可以实时接收或者通过互联网访问数据库得到环境参数信息。比如,不同区域监测点的不同用户在服务器的数据库建立自己的专属账户,用户登录进去可以实时看到温室大棚的各传感器节点采集的数据,并且针对不同作物各个不同生长阶段对环境参数的要求,设定相应的阈值区间。所有的采集数据保存在服务器的数据库里,例如可以通过网页任意调出不同区间时间段的采集数据。服务器例如可以提供各参数数据统计分析。例如,可以在手机上安装相应软件定时访问服务器的数据库实现采集数据的同步,并且完成相应的配置传感器采集节点的配置参数的功能。
[0047] 当环境采集的传感器参数不在设定的阈值区间时,系统开始智能报警,报警方式可以有以下几种:
[0048] 一是通过本地传感器采集节点的声光报警,提醒现场工作人员;二是服务器给用户终端实时发送报警信息,例如给设定的用户手机发送报警短信,报警短信内容为当前采集的环境数据、采集时间、报警警戒值,这解决了当现场环境没有人时用户不能及时得到报警信息的问题。第三报警信息会保存在服务器端,当通过互联网访问时,网页正常显示为蓝色图标,当有报警信息时图标变红提示报警,并且发出报警声音;还有通过远程LED屏显示报警,正常显示参数为黄色,当环境异常时,异常的参数值会变红,并且箭头指示当前的参数值偏高还是偏低。这样,当环境异常时实现了本地、手机、网页、LED屏等多方位的智能报警,避免环境异常造成不必要的损失。
[0049] 以上具体实施方式仅用于说明本实用新型,而非对本实用新型的限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明,但是本领域的普通技术人员应当理解,对本实用新型的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换,都不脱离本实用新型的原理和精神,其均应涵盖在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线传感网络的温室环境监测系统,其特征在于,该系统包括传感器采集节点、网关节点、服务器和用户终端: 传感器采集节点,包括用于采集环境参数信息的传感器和用于向网关节点发送所述环境参数信息的第一无线通讯模块; 网关节点,包括用于接收所述环境参数信息的第二无线通讯模块和用于向服务器传送所述环境参数信息的GSM/GPRS通讯模块; 服务器,包括与网关节点和与用户终端进行数据通讯的服务器通讯模块和用于当所述环境参数信息超出设定的阈值区间时生成可供用户终端远程访问的报警信息的报警模块; 用户终端,包括用于远程访问所述环境参数信息的终端通信模块和显示所述环境参数信息的显示装置。
2.权利要求1所述的系统,其特征在于: 传感器采集节点还包括用于在故障时自动复位的看门狗模块。
3.权利要求1所述的系统,其特征在于: 传感器采集节点还包括用于实时显示所述环境参数信息的显示单元。
4.权利要求1所述的系统,其特征在于: 传感器采集节点还包括用于在所述环境参数信息超出设定的阈值区间时报警的报警单元。
5.权利要求1至4其中任一项所述的系统,其特征在于: 所述报警模块还用于将所述报警信息实时发送给用户终端。
6.权利要求1所述的系统,其特征在于: 所述传感器包括环境温度传感器、环境湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器、土壤PH传感器、土壤电导率传感器、氮素传感器中的一种或多种。
7.权利要求1所述的系统,其特征在于: 所述第一无线通讯模块、第二无线通讯模块、GSM/GPRS通讯模块、服务器通讯模块和终端通信模块均为双向通讯模块; 用户终端包括配置模块,用于配置传感器采集节点的配置参数,所述配置参数通过终端通信模块、服务器通讯模块、GSM/GPRS通讯模块、第二无线通讯模块和第一无线通讯模块发送到传感器采集节点; 传感器采集节点包括存储模块,用于储存所述配置参数。
8.权利要求7所述的系统,其特征在于: 传感器采集节点为多个,一部分传感器采集节点的第一通信模块接收其他若干个传感器采集节点传送的环境参数信息,并转发给网关节点。
9.权利要求1所述的系统,其特征在于: 传感器采集节点的电源包括多个电压等级不同的供电接口,传感器采集节点的各个模块根据需要连接到相应电压等级的供电接口。
10.权利要求1所述的系统,其特征在于: 用户终端包括手机、个人电脑、平板电脑、LED显示屏中的一种或多种。
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