專利名稱：一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，它與 植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集有關(guān)，屬于農(nóng)業(yè)與生態(tài)學(xué)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
(二)技術(shù)背景植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)是研究植被生長發(fā)育狀態(tài)的一個重要指標(biāo)，也是制約陸 地-大氣作用過程模型的一個重要關(guān)聯(lián)參數(shù)。因此，精確地獲取植被結(jié)構(gòu)參數(shù)是推動陸 面模式建模與模型驗(yàn)證的迫切需求。本實(shí)用新型中所述植被結(jié)構(gòu)參數(shù)是指植被冠層葉面積指數(shù)(LeafArea Index, LAI)與葉傾角概率密度函數(shù)。植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的獲取方法有直接量測法和間接量測法，其中直接法包括破壞性 測量法和手工原位量測以及落葉法。直接測量結(jié)果精度高，可以作為間接測量方法精度 比較的比對參考。但是測量過程費(fèi)時耗力并且對測量樣地會造成一定破壞，難以用于大 面積長時間序列的數(shù)值獲取。對植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的間接測量儀器中，是通過測量植被冠層方向間隙率，根據(jù)間 隙率與葉面積指數(shù)和葉傾角分布的關(guān)系來估計這些結(jié)構(gòu)參數(shù)。這些儀器的區(qū)別在于獲取 間隙率的方法不同。目前能夠?qū)χ脖唤Y(jié)構(gòu)參數(shù)間接測量的商業(yè)化儀器有兩種類型，第一 種是通過測量冠層內(nèi)透過的太陽輻射量來估算冠層透過率，如英國的SunScan和澳大利 亞的Demon。其中SunScan是通過在冠層底部部署多達(dá)64個光傳感器來一次性獲取對 冠層結(jié)構(gòu)信息的多層次信息，而Demon則是通過驅(qū)動(手持移動或馬達(dá)驅(qū)動)傳感器在 冠層下部沿著一定的方向或軌道移動來達(dá)到一次獲取多角度信息的目的。另外一種是 利用半球成像技術(shù)來獲取視場內(nèi)的植被與背景信息，通過分類的方法統(tǒng)計各自的像素數(shù) 來計算冠層內(nèi)的方向間隙率，如美國的LAI2000和專利“透光分層疏透度測定方法及攝 影裝置”(專利號01128255.X)以及“一種用于測定透光分層疏透度的裝置”(專利號 01250965.5)，為了獲取植被冠層多角度圖像，它們采用了寬視場角的魚眼鏡頭來獲取冠 層結(jié)構(gòu)信息。以上測量儀器的共同特點(diǎn)是通過在冠層底部一次測量獲取多角度冠層輻射分布 信息的形式來實(shí)現(xiàn)對冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量。在長時間序列以及大空間范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集的時候，由于需要在較大的實(shí)驗(yàn)場地上部署多個測量儀器，且需要人員到現(xiàn)場多次測 量，因此，以上所屬儀器和方法需要耗費(fèi)巨大數(shù)據(jù)采集成本，包括人力成本和儀器購置 成本。實(shí)用新型專利“一種樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置”(公開號 CN101413875A)通過在長1.2-1.8m，寬0.6_1.0m的平面上部署多達(dá)14000個硅光敏電池 或點(diǎn)耦合元件來獲取樹木林下的太陽輻射分布，通過在一天中太陽的移動以及太陽輻射 的變化來間接估算樹木的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)。該專利所述裝置其使用條件受限于在林地環(huán)境 下，并且要求林地下有較大的間隙才能夠放置該設(shè)備。而在低矮植被或連續(xù)分布植被，如農(nóng)作物、草地環(huán)境下則無法使用。
實(shí)用新型內(nèi)容1、目的針對以上設(shè)備與技術(shù)存在的問題，本實(shí)用新型的目的是一種基于無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，該裝置具有體積小、成本低、數(shù)據(jù)自動獲取 與無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守情況下的長時間、大范圍、多植被類型冠層結(jié)構(gòu) 參數(shù)的自動測量與傳輸。2、技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)用新型采取如下技術(shù)方案一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，包括由分布在研究區(qū)的冠層上與冠層下的測量節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)由匯聚節(jié)點(diǎn)與控制終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器連接形成的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跟數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)之間的位置連接關(guān)系是無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)通過在其匯聚節(jié)點(diǎn)上加裝串口模塊，與控制終端上的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)通 過RS232串口線近距離的連接；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過在其匯聚節(jié)點(diǎn)上加裝GPRS模塊， 與放置于實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程服務(wù)器上的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)通過GPRS無線通信遠(yuǎn)距離 的連接。其中，所述測量節(jié)點(diǎn)是由用于測量冠層上下太陽透過輻射的光傳感器、用于臨 時數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)存儲單元、用于提供采集時間的實(shí)時時鐘、用于進(jìn)行無線通信組網(wǎng)和 節(jié)點(diǎn)控制運(yùn)算的核心芯片以及供電單元組成。它們之間的位置連接關(guān)系是光存儲器， 實(shí)時時鐘通過I2C與核心芯片連接，數(shù)據(jù)存儲單元通過SPI與核心芯片連接，所有單元都 與供電單元連接。所有元器件分布在10X4.5cm2的節(jié)點(diǎn)電路板上。其中，所述光傳感器是一 3X3mm2的光電轉(zhuǎn)換器，采用的是環(huán)境光感應(yīng) 器TSL2561芯片；所述數(shù)據(jù)存儲單元是選用M25P10，IMbit的存儲器；所述實(shí) 時時鐘是選用PCF8563芯片計時；所述核心芯片是JENNIC公司提供的高功率的 JN5139-Z01-M02R1模塊，它同時具有無線通信組網(wǎng)與單片機(jī)控制運(yùn)行功能；所述供電 單元和節(jié)點(diǎn)所部署的位置有關(guān)，部署于冠層下的節(jié)點(diǎn)電源為兩節(jié)AA堿性電池，部署在冠 層上的節(jié)點(diǎn)以及路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)電源為太陽能電池板和備用的兩節(jié)AA堿性電池的組合。所述路由節(jié)點(diǎn)和測量節(jié)點(diǎn)在硬件組成上一樣，只是在驅(qū)動程序上調(diào)用的無線通 信協(xié)議棧不一樣，路由節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)信號中繼的路由功能。設(shè)置一匯聚節(jié)點(diǎn)用來匯總來自所有測量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將匯總的數(shù)據(jù)傳輸給控 制終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器。其中，所述匯聚節(jié)點(diǎn)是在測量節(jié)點(diǎn)的元器件基礎(chǔ)上增加一個GPRS無線通訊模 塊及串口通信模塊，該GPRS模塊選用的是基于移動2.5G Hz GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺內(nèi)嵌Siemens MC35I/MC39I工業(yè)級模塊的無線調(diào)制解調(diào)器，可以直接與工業(yè)電腦等上位機(jī)設(shè)備連接， 實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)通信；串口通信模塊選用JENNIC支持良好的，低功耗的電平轉(zhuǎn)化芯片 SP3232 ；由匯聚節(jié)點(diǎn)與控制終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器相連接組成控制裝置即數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控 制系統(tǒng)，傳遞空間位置信息和數(shù)據(jù)，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)無線通訊；所述控制終端及遠(yuǎn)程服務(wù)器均為聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)。其中，所述測量節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)都寫入了 自主編制的驅(qū)動程序，驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.當(dāng)打開節(jié)點(diǎn)的電源開關(guān)后，首先進(jìn)行 各功能模塊的初始化，路由節(jié)點(diǎn)會立刻和其他路由節(jié)點(diǎn)以及匯聚節(jié)點(diǎn)通過多跳自組織的 方式建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后一直處于工作狀態(tài)，隨時等待測量節(jié)點(diǎn)的接入。測量節(jié) 點(diǎn)會搜尋由路由節(jié)點(diǎn)組成的無線網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)絡(luò)后，測量節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)，根據(jù)預(yù)先 設(shè)定的時間間隔，采集存儲數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。一次采集數(shù)據(jù)完 畢，進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個時刻重啟中斷，如此循環(huán)往復(fù)。當(dāng)一階段數(shù)據(jù)采集工作 完成以后，可以在設(shè)定的時間節(jié)點(diǎn)中斷上述循環(huán)，測量節(jié)點(diǎn)進(jìn)入長時間休眠狀態(tài)，等待 下一次采集工作。其中，所述測量節(jié)點(diǎn)中，位于冠層下的測量節(jié)點(diǎn)用來獲取一天不同太陽高度角 的冠層下太陽透過輻射，位于冠層上的測量節(jié)點(diǎn)用來獲取研究區(qū)一天中不同太陽高度角 的太陽總輻射，從以上兩個測量數(shù)值即可提取植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)信息。其中，所述測量節(jié)點(diǎn)之間，測量節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)之間，路由節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之 間，以及匯聚節(jié)點(diǎn)與控制終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器的連接關(guān)系是多個(N <= 16)冠層上的 測量節(jié)點(diǎn)與冠層下的測量節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方式與路由節(jié)點(diǎn)相連；路由節(jié)點(diǎn)之間，以 及路由節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)通過無線多跳自組織的方式進(jìn)行連接；匯聚節(jié)點(diǎn)在本質(zhì)上也屬于 一個路由節(jié)點(diǎn)，但是，區(qū)別與普通路由節(jié)點(diǎn)之處是，匯聚節(jié)點(diǎn)具有串口通信模塊和GPRS 模塊。匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口和GPRS無線通訊模塊與控制終端或遠(yuǎn)程服務(wù)器相連。其中，所述測量節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)之間，路由節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間，以及匯聚節(jié) 點(diǎn)與控制終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器的位置關(guān)系是測量節(jié)點(diǎn)在測量區(qū)域隨機(jī)分布，每16個測量 節(jié)點(diǎn)附近至少要有一個路由節(jié)點(diǎn)作為信號中繼點(diǎn)，測量節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)之間最遠(yuǎn)距離不 超過200m;路由節(jié)點(diǎn)采用無線多跳的方式進(jìn)行連接，任一路由節(jié)點(diǎn)周圍200m范圍內(nèi)至 少要有一個路由節(jié)點(diǎn)與其相連；匯聚節(jié)點(diǎn)可以放置于任一路由節(jié)點(diǎn)周圍200m范圍內(nèi)； 匯聚節(jié)點(diǎn)可以使用串口線實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)與控制終端的近距離數(shù)據(jù)傳輸，也可以使用匯聚 節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。其中，所述數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)行于控制終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器，當(dāng)數(shù)據(jù)從 測量節(jié)點(diǎn)經(jīng)由路由節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)，最終傳送到控制終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器以后，數(shù)據(jù)處理 與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)可以自動的讀取并分析數(shù)據(jù)，從中提取各測量節(jié)點(diǎn)不同太陽高度角下的 植被冠層方向間隙率，利用提取的間隙率反演出該節(jié)點(diǎn)處植被冠層的葉面積指數(shù)與葉傾 角分布，并將結(jié)果可視化顯示。同時，操作人員可以通過數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)向測 量節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，改變測量節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置，從而達(dá)到控制目的。3、優(yōu)點(diǎn)及功效與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型通過在冠層上部測量太陽總輻 射、在冠層下部測量太陽透過輻射來達(dá)到計算冠層透過率的目的，利用一天之中太陽高 度角的變化來實(shí)現(xiàn)多角度的冠層間隙率計算。進(jìn)而，利用多角度間隙率計算冠層的結(jié)構(gòu) 參數(shù)。本實(shí)用新型利用太陽高度角的變化取代了傳統(tǒng)的魚眼相機(jī)一次獲取多角度圖像的 方法，并且，由于本實(shí)用新型直接使用了平面光傳感器，可以直接計算冠層間隙率，無 需對觀測目標(biāo)進(jìn)行成像，減少了數(shù)據(jù)后處理中圖像分類誤差。本實(shí)用新型采用無線網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少了單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲容量，更有利于實(shí)現(xiàn)在無人值守條件下的大區(qū) 域、長時間序列的植被冠層參數(shù)獲取。
圖1為本實(shí)用新型測量節(jié)點(diǎn)驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實(shí)用新型的測量節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖圖3為本實(shí)用新型的野外部署示意圖圖4為本實(shí)用新型數(shù)據(jù)獲取控制算法結(jié)構(gòu)示意圖圖中符號說明如下1-測量節(jié)點(diǎn)2-路由節(jié)點(diǎn)3-匯聚節(jié)點(diǎn)4-聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)5-聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，包括由布 置于研究區(qū)域冠層上部空間與下部空間的測量節(jié)點(diǎn)1以及路由節(jié)點(diǎn)2組成的無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)；由匯聚節(jié)點(diǎn)3與控制終端及遠(yuǎn)程服務(wù)器組成的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)。其中，所述測量節(jié)點(diǎn)1是由用于測量冠層上下太陽透過輻射的光傳感器、用于 臨時數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)存儲單元、用于提供采集時間的實(shí)時時鐘、用于進(jìn)行無線通信組網(wǎng) 和節(jié)點(diǎn)控制運(yùn)算的核心芯片以及供電單元組成。測量節(jié)點(diǎn)1通過無線通信與路由節(jié)點(diǎn)2相 連。路由節(jié)點(diǎn)2在硬件上與測量節(jié)點(diǎn)1相同，只是在驅(qū)動程序上調(diào)用的協(xié)議棧不同，路由 節(jié)點(diǎn)2使用的協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)對無線信號的中繼，由于有這個特點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)2之間可以 通過多跳無線通信方式連接并組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。上述無線通信連接均使用JENNIC公 司提供的Jenie通信協(xié)議。此協(xié)議與Sgbee的協(xié)議功能大體相同，區(qū)別在于Jenie的協(xié)議 占用空間更小，耗能更少，其缺點(diǎn)是沒有Zigbee協(xié)議的Mesh網(wǎng)絡(luò)靈活，但是對于相對位 置固定，節(jié)點(diǎn)不會隨時移動，障礙物影響不大的情況下，選用Jenie的協(xié)議更利于我們的 網(wǎng)絡(luò)布置和網(wǎng)絡(luò)利用。為了與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，設(shè)置一匯聚節(jié)點(diǎn)3用來匯總來自所有 測量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將匯總的數(shù)據(jù)傳輸給控制終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器。該匯聚節(jié)點(diǎn)3是在路 由節(jié)點(diǎn)2基礎(chǔ)上增加了用于和控制終端及遠(yuǎn)程服務(wù)器連接的串口通信模塊和GPRS模塊。其中，光傳感器為一 3X3mm2的光電轉(zhuǎn)換器，采用的是環(huán)境光感應(yīng)器TSL2561 芯片，此芯片具有光電轉(zhuǎn)換功能，直接通過I2C傳遞回光強(qiáng)的數(shù)字信息。其具體參數(shù)如 下·工作電壓 2.7-3.6V·工作溫度-30_70°C·信號低電平電壓-0.5_0.8V·信號高電平電壓2.1-3.6V其中，數(shù)據(jù)存儲單元選用M25P10，IMbit的存儲器，JENNIC在說明中指出對其 的良好支持。其具體參數(shù)如下所示·存儲量 IMbit·工作電壓 2.7-3.6V·工作接口 SPI接口·工作最大頻率50MHz其中，所述核心芯片，采用的是JENNIC公司提供的高功率的JN5139-Z01-M02R1模塊，該模塊同時具有無線通信組網(wǎng)與單片機(jī)控制運(yùn)行功能。其模 塊參數(shù)如下所述物理參數(shù)·傳輸距離> Ikm 模塊外觀尺寸18 X 41mm·工作電壓 2.7-3.6V·工作頻段 2.4GHz IEEE802.15.4 兼容·休眠電流(帶有喚醒計時器)< 2.8uA· 19dBm power,帶 SMA、uFI 天線連接器·接收靈敏度-IOOdBm· TX 電流< 120mA· RX 電流< 45mA接口參數(shù)·五個 SPI 接口·兩個 UART 串 口·兩個可編程定時計時器 兩線的 I2C 口· 21個通用的IO 口(部分和UART復(fù)用)·四路 12-bit，IOOksps 的 ADC 兩路11位的DAC· 一個比較器·內(nèi)部的溫度與電壓傳感器處理器參數(shù)· 16MHz 32 位 RISC CPU· 128KB FLASH、64KB ROM、96KB RAM其中，所述實(shí)時時鐘，可以為采集的數(shù)據(jù)提供年，月，日，時，分，秒的計 時，選用PCF8563，此芯片功耗很低，適用于我們采用的電池供電的方式。其具體參數(shù) 如下所示·晶振為 32.768KHZ 工作電壓 1.0-5.5V·工作電流 0.25uA·支持 I2C 接口其中，所述串口通信模塊選用JENNIC支持良好的，低功耗的電平轉(zhuǎn)化芯片 SP3232,其具體特性如下所述·滿足 EIA/TIA-232-F 標(biāo)準(zhǔn) 工作電壓為3.0-5.5V·滿載最小數(shù)據(jù)速率120Kbps· IuA的低功耗關(guān)斷模式，接收器(SP3222E)有效·可與RS232共同使用，電源低至+2.7V[0077]·增強(qiáng)型ESD規(guī)范士 15kV人體放電模式士 15kV IEC1000-4-2 氣隙放電士 8kVIEC1000-4_2 接觸放電其中，所述GPRS模塊選用的是基于移動2.5G Hz GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺內(nèi)嵌Siemens MC35I/MC39I工業(yè)級模塊的無線調(diào)制解調(diào)器，可以直接與工業(yè)電腦等上位機(jī)設(shè)備連接， 實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)通信。其具體特性如下所述·支持EGSM900和GSM1800雙頻支持?jǐn)?shù)字、語音、短消息和傳真·處于睡眠狀態(tài)時電流為3mA支持三種語言編碼的傳送速率·標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的認(rèn)證、采用GSM Phase2/2+標(biāo)準(zhǔn)·工作電壓 3.3-5.5V·頻段雙頻 GSM900MHz 和 DCS 1800MHz (Phase 2+)·發(fā)射功率2W(GSM900MHz Class 4) IW (DCS 1800MHz Class 1)· SIM卡連接方式外接·天線由天線連接器連接外部天線·溫度范圍工作溫度-20_+55°C儲存溫度-30_+85°C·工作電流損耗通話模式300mA(典型值.)空閑模式3.5mA(最大值模 式IOOuA (最大值)·通訊接口 RS232(指令和數(shù)據(jù)的雙向傳送)其中，供電單元的組成和節(jié)點(diǎn)所部署的位置有關(guān)，部署于冠層下的節(jié)點(diǎn)電源為 兩節(jié)AA堿性電池，部署在冠層上的節(jié)點(diǎn)以及路由節(jié)點(diǎn)2和匯聚節(jié)點(diǎn)3電源為太陽能電池 板和備用的兩節(jié)AA堿性電池的組合。其中，所述控制終端及遠(yuǎn)程服務(wù)器均為聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)4、5。本實(shí)用新型的優(yōu)勢之一是適合獲取大面積的植被結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用路由節(jié)點(diǎn)2之 間多跳連接，可以將測量節(jié)點(diǎn)的布設(shè)范圍擴(kuò)展到Ikm2或者更大，測量節(jié)點(diǎn)具體布設(shè)如圖 2所示，首先根據(jù)測量區(qū)域的實(shí)際情況確定采樣策略，根據(jù)采樣策略確定想要獲取植被結(jié) 構(gòu)參數(shù)的每一個具體的測點(diǎn)位置，然后在每個這樣的測量點(diǎn)位置的冠層下部空間放置一 個測量節(jié)點(diǎn)，用來測量一天中不同太陽高度角下植被冠層太陽透過輻射Q1(其中i為冠層 下測量節(jié)點(diǎn)的編號)。為了測量冠層上太陽總輻射和天空散射輻射，另外選取2個測點(diǎn) 位置，在每個這樣的測量點(diǎn)位置的冠層上部空間放置一個測量節(jié)點(diǎn)，并在其中一個節(jié)點(diǎn) 上面加裝遮陰板，分別用來測量一天中不同太陽高度角下植被冠層上太陽總輻射Qci與天 空散射輻射Dtlt5在布設(shè)16個測量節(jié)點(diǎn)后，需要設(shè)置一路由節(jié)點(diǎn)2，布設(shè)路由節(jié)點(diǎn)2的要 求是使16個測量節(jié)點(diǎn)落在該路由節(jié)點(diǎn)2周邊半徑為200m的圓周內(nèi)。16個測量節(jié)點(diǎn)1加 一個路由節(jié)點(diǎn)2為一組節(jié)點(diǎn)，可以在研究區(qū)布置若干組節(jié)點(diǎn)。組與組之間通過路由節(jié)點(diǎn) 2連接。在各組節(jié)點(diǎn)布置好以后，選擇任一路由節(jié)點(diǎn)2周邊200m范圍內(nèi)，設(shè)置一個匯聚 節(jié)點(diǎn)3，其本質(zhì)為一個加裝了串口模塊和GPRS模塊的路由節(jié)點(diǎn)2，匯聚節(jié)點(diǎn)3用來匯總 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各測量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)的交流。每個節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的位置 安置固定好以后打開節(jié)點(diǎn)上的電源開關(guān)，節(jié)點(diǎn)即開始工作。測量節(jié)點(diǎn)1布設(shè)好后，一次完整的測量過程為，當(dāng)太陽升起之前1個小時左右，天空只有散射光的時候，測量節(jié)點(diǎn)開始測量，然后每隔一定時間間隔讀取一個數(shù)值，到 太陽落山測量工作停止，從而完成一次測量。利用太陽升起之前冠層上下的測量可以得 到散射光透過率Td，利用太陽高度角一天中隨時間的推移而發(fā)生的變化，通過分布在冠 層上與冠層下以及冠層上遮陰的測量節(jié)點(diǎn)就得到了一天中不同太陽高度角下冠層下的太 陽透過輻射Q1G為冠層下節(jié)點(diǎn)編號)，冠層上的太陽總輻射Qtl和天空散射輻射Dtlt5 本實(shí)用新型的適宜測量環(huán)境為晴朗無風(fēng)的白天，多云或大風(fēng)的天氣會使得測量 結(jié)果充滿噪聲而影響測量精度，不適合進(jìn)行測量工作。由于冠層下的測量節(jié)點(diǎn)使用堿性 電池供電，連續(xù)工作時間有限，為了實(shí)現(xiàn)對研究區(qū)長時間周期測量，同時也為了提高測 量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，我們進(jìn)行了以下設(shè)計，一是每個測量節(jié)點(diǎn)1都擁有兩種狀態(tài)模式，即工 作模式與休眠模式。工作模式下測量節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與通信，休眠模式下測量節(jié)點(diǎn)1 進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，電量消耗降到最低點(diǎn)。測量節(jié)點(diǎn)1在一次采集存儲傳輸完畢后馬上 進(jìn)入休眠模式。這樣測量節(jié)點(diǎn)1在整個測量周期內(nèi)處于工作模式的時間只占非常小的比 例，從而使得測量周期可以得到延長。二是節(jié)點(diǎn)只有在適合測量的時間段內(nèi)，即晴朗無 風(fēng)的白天進(jìn)行測量工作，當(dāng)在一個測量周期內(nèi)出現(xiàn)了多云或大風(fēng)的天氣時，可以通過向 測量節(jié)點(diǎn)1發(fā)送指令使其進(jìn)入休眠模式。匯聚節(jié)點(diǎn)3在白天測量時間段匯總來自各測量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在接到傳輸數(shù)據(jù)的 指令后，匯聚節(jié)點(diǎn)3可以將所存儲的數(shù)據(jù)，通過串口模塊和GPRS模塊發(fā)送給控制終端和 遠(yuǎn)程服務(wù)器。在控制終端或遠(yuǎn)程服務(wù)器上運(yùn)行的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)接收到匯聚節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)按照圖3所示流程，對各節(jié) 點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由于在實(shí)際測量過程中會有許多因素對測量結(jié)果造成影響，導(dǎo)致測量 結(jié)果出現(xiàn)一些噪聲，所以需要對測量數(shù)據(jù)先進(jìn)行濾波處理，又由于測量節(jié)點(diǎn)1為每隔一 定時間間隔獲取一個數(shù)值，所以為了獲取任意太陽高度角下冠層太陽光透過率，需要對 測量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。當(dāng)數(shù)據(jù)預(yù)處理完畢以后，使用如下核心算法實(shí)現(xiàn)對植被結(jié)構(gòu)參 數(shù)的反演利用測量節(jié)點(diǎn)1上實(shí)時時鐘記錄的時間信息，可將各個數(shù)據(jù)采集時刻換算為對 應(yīng)的太陽高度角。通過設(shè)置一個時刻閾值，可將測量數(shù)據(jù)分為日出之前數(shù)據(jù)與日出之后 數(shù)據(jù)。日出之前數(shù)據(jù)，由冠層上不遮陰的測量節(jié)點(diǎn)獲取的天空散射輻射D'。和冠層下 測量節(jié)點(diǎn)獲取的天空散射透過輻射D'工組成，由式(1)即可計算散射透過率，即
DTd=寸(1)
0日出之后數(shù)據(jù)，由冠層下節(jié)點(diǎn)獲取的某一個時間點(diǎn)下，特定太陽高度角下的冠 層太陽透過輻射Q1G為冠層下節(jié)點(diǎn)標(biāo)號)，冠層上節(jié)點(diǎn)獲取的某一個時間點(diǎn)下，特定太陽 高度角下的太陽總輻射Qci和冠層上遮陰節(jié)點(diǎn)獲取的某一個時間點(diǎn)下，特定太陽高度角下 的天空散射輻射Dtl組成。利用這三個量，可以計算特定太陽高度角下冠層上直射光輻射 度，即E0 = Q0-D0 (2)根據(jù)(1)式得到的散射光透過率Td，可以計算特定太陽高度角下冠層下的太陽透過輻射度
權(quán)利要求1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其特征在于它包括由 分布在研究區(qū)的冠層上與冠層下的測量節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；由匯聚 節(jié)點(diǎn)與控制終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器連接形成的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跟數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)之間的位置連接關(guān)系是無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)通過在其匯聚節(jié)點(diǎn)上加裝串口模塊，與控制終端上的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)通過 RS232串口線近距離的連接；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過在其匯聚節(jié)點(diǎn)上加裝GPRS模塊，與放 置于實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程服務(wù)器上的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)通過GPRS無線通信遠(yuǎn)距離的連 接；所述測量節(jié)點(diǎn)是由用于測量冠層上下太陽透過輻射的光傳感器、用于臨時數(shù)據(jù)存儲 的數(shù)據(jù)存儲單元、用于提供采集時間的實(shí)時時鐘、用于進(jìn)行無線通信組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)控制運(yùn) 算的核心芯片以及供電單元組成；它們之間的位置連接關(guān)系是光存儲器，實(shí)時時鐘通 過I2C與核心芯片連接，數(shù)據(jù)存儲單元通過SPI與核心芯片連接，所有單元都與供電單元 連接；該測量節(jié)點(diǎn)的上述所有元器件安裝在節(jié)點(diǎn)電路板上；所述路由節(jié)點(diǎn)在硬件組成上和測量節(jié)點(diǎn)一樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該光傳感器為一 3 X 3mm2的光電轉(zhuǎn)換器，其芯片型號是TSL2561。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該數(shù)據(jù)存儲器為一容量IMbit的M25P10存儲器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該實(shí)時時鐘是選用PCF8563芯片計時。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該用于進(jìn)行無線通信組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)控制運(yùn)算的核心芯片，是JENNIC公司提供 的 JN5139-Z01-M02R1 模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該供電單元的組成和節(jié)點(diǎn)所部署的位置有關(guān)，部署于冠層下的節(jié)點(diǎn)電源為兩 節(jié)AA堿性電池，部署在冠層上的節(jié)點(diǎn)以及路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的電源為太陽能電池板和 備用的兩節(jié)AA堿性電池的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置， 其特征在于該GPRS模塊為一基于移動2.5G Hz GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺內(nèi)嵌Siemens MC35I/ MC39I工業(yè)級模塊的無線調(diào)制解調(diào)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該串口通信模塊是JENNIC支持良好的電平轉(zhuǎn)化芯片SP3232。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該控制終端及遠(yuǎn)程服務(wù)器均為聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置， 其特征在于該測量節(jié)點(diǎn)的所有元器件分布在10X4.5cm2的節(jié)點(diǎn)電路板上。
專利摘要一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，它由分布在研究區(qū)的冠層上下測量節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和由匯聚節(jié)點(diǎn)與控制終端遠(yuǎn)程服務(wù)器連接成的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)兩部分組成；測量節(jié)點(diǎn)通過采集一天中不同太陽高度角下冠層上下的太陽輻射來獲取植被參數(shù)信息，并通過無線自組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與定位；匯聚節(jié)點(diǎn)可將各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過串口或GPRS上傳到控制終端，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將植被結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出來；控制終端通過匯聚節(jié)點(diǎn)向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令修改參數(shù)設(shè)置。本實(shí)用新型體積小，功耗低，部署方便，成本低廉，適用于大面積、長時間周期的植被參數(shù)測量，它在農(nóng)業(yè)與生態(tài)學(xué)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域里具有廣泛地實(shí)用價值和應(yīng)用前景。
文檔編號G01N21/00GK201803950SQ20102014340
公開日2011年4月20日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者呂耘帙, 姜富斌, 屈永華, 焦思紅, 王錦地, 董健 申請人:北京師范大學(xué), 北京星視地信科技有限公司