一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成：底層為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，中層為GPRS網(wǎng)絡(luò)，上層為Internet網(wǎng)絡(luò)，底層和中層通過設(shè)置網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接，中層和上層則利用公共移動網(wǎng)關(guān)連接。所述底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個無線傳感器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點之間通過無線通訊模塊通信，傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。所述中層GPRS網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成，完成傳感器節(jié)點的信息交匯、數(shù)據(jù)存儲、指令收發(fā)以及參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置能功能。所述上層Internet網(wǎng)絡(luò)由遠(yuǎn)程服務(wù)器和各客戶端組成。服務(wù)器從網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收信息，完成數(shù)據(jù)解析、處理、存儲、查詢、統(tǒng)計、圖表繪制、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、決策支持等。
【專利說明】
一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]農(nóng)田墑情信息是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實施精準(zhǔn)施肥、精確灌溉的重要科學(xué)依據(jù)。隨著信息技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，已逐步滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可用于農(nóng)田土壤墑情信息的精確、快速、連續(xù)測量。
[0003]由于硬件的限制和低成本要求，無線傳感器節(jié)點只能配備有限的能量，網(wǎng)絡(luò)可以運行的最長時間，即網(wǎng)絡(luò)生存期受到限制。而在實際農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點可能達(dá)到成百上千個，頻繁更換電池耗時耗力，還會帶來環(huán)境污染，因此要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能運行較長時間。所以，如何降低傳感器節(jié)點功耗是設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題。
[0004]在農(nóng)田墑情監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點的主要任務(wù)是采集土壤墑情信息、處理本地數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)。產(chǎn)生功耗的三個主要部分是:感應(yīng)、數(shù)據(jù)處理和通信，在這三者中，通信的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過感應(yīng)和數(shù)據(jù)處理所消耗的能量。所以，節(jié)能高效的通信協(xié)議和算法至關(guān)重要。
[0005]目前，農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在以下問題:1.農(nóng)田面積廣，傳感器節(jié)點多。不利于為每個傳感器分配地址，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜;2.節(jié)點分布密度小，相鄰節(jié)點通信距離大，通?？蛇_(dá)到50-100m。由于通信功耗和距離的n(n多2)次方成正比，節(jié)點消耗能量大。
3.周期采集數(shù)據(jù)上報。由于土壤墑情信息變化緩慢，傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要高度實時性的傳輸數(shù)據(jù)，以免造成功耗的浪費。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種低成本、高精度、簡單實用的基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)。
[0007]本實用新型所要解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0008]一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成:底層為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，中層為GPRS網(wǎng)絡(luò)，上層為Internet網(wǎng)絡(luò)，底層和中層通過設(shè)置網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接，中層和上層則利用公共移動網(wǎng)關(guān)連接；
[0009]所述底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個無線傳感器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點之間通過無線通訊模塊通信，傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸；
[0010]所述中層GPRS網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成，完成傳感器節(jié)點的信息交匯、數(shù)據(jù)存儲、指令收發(fā)以及參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置能功能；
[0011]所述上層Internet網(wǎng)絡(luò)由遠(yuǎn)程服務(wù)器和各客戶端組成，服務(wù)器從網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收信息，完成數(shù)據(jù)解析、處理、存儲、查詢、統(tǒng)計、圖表繪制、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、決策支持等。
[0012]—種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗農(nóng)田墑情監(jiān)測方法，主要由以下步驟來實現(xiàn):
[0013](I)傳感器節(jié)點采用分簇的路由協(xié)議進(jìn)行通信，由于人們感興趣的不是某一個傳感器節(jié)點的感知信息，而是某一區(qū)域或某一塊土地的整體土壤墑情，所以該實用新型對農(nóng)田分區(qū)測量，即將要測量的土地分成若干個區(qū)域，在每個區(qū)域里均勻部署傳感器節(jié)點，在這些傳感器節(jié)點中，有一個節(jié)點是簇頭，其余節(jié)點為簇成員，簇成員將采集的土壤墑情信息傳輸給簇頭，簇頭對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合以求出該區(qū)域土壤的整體墑情信息，并將該信息傳給更高一級的簇頭，直到數(shù)據(jù)到達(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點；由于傳感器節(jié)點采用分簇結(jié)構(gòu)，節(jié)點之間的通信只在每個簇之間進(jìn)行，大部分的監(jiān)測信息被傳輸給少量的簇頭，而其他節(jié)點則執(zhí)行簡單的任務(wù)，這種方法延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生存期，且使網(wǎng)絡(luò)具有可擴(kuò)展性；
[0014](2)簇頭采用太陽能和鋰電池兩級能源供電，雖然分簇的協(xié)議節(jié)省了大部分傳感器節(jié)點的功耗，但是這種協(xié)議太過于依賴簇頭，簇頭的通信負(fù)擔(dān)重，消耗的能量加大;為了平衡簇頭的功耗，一般在通信前，要創(chuàng)建簇頭，即在簇內(nèi)成員中周期選舉簇頭;這樣，由于簇頭的不斷改變，簇內(nèi)節(jié)點的功耗得到了均衡;但是創(chuàng)建簇頭的過程也要額外增加功耗，考慮到農(nóng)田陽光充足，為此，該實用新型采取固定簇頭節(jié)點，并利用太陽能和鋰電池兩級能源分時為簇頭節(jié)點供電;保證簇頭節(jié)點能量充足，保證其他節(jié)點的功耗不被增加，提高網(wǎng)絡(luò)的生存期；
[0015](3)采用周期和門限感知相結(jié)合的通信算法，由于土壤濕度信息變化緩慢，人們感興趣的也不是嚴(yán)格的土壤濕度隨連續(xù)時間變化的關(guān)系，而是土壤墑情達(dá)到什么程度，是否需要灌溉或何時適合施肥等。所以傳感器節(jié)點并不需要高度實時傳輸數(shù)據(jù)。該實用新型采用周期和門限感知相結(jié)合的方式?jīng)Q定是否傳輸數(shù)據(jù)和何時傳輸，即通過遠(yuǎn)程服務(wù)器設(shè)置計數(shù)時間參數(shù)，此計數(shù)時間可設(shè)置長些，如5_12h，傳感器節(jié)點按照計數(shù)時間定期向簇頭傳輸數(shù)據(jù)，這樣傳感器節(jié)點大量時間處于休眠狀態(tài)，節(jié)能了功耗。為了防止由于周期太長錯過重要數(shù)據(jù)的及時觀測，該實用新型還使用了門限感知，即設(shè)置一個閾值，當(dāng)傳感器節(jié)點測量的數(shù)據(jù)變化量超過了閾值，即使計數(shù)時間未到，新監(jiān)測到的數(shù)據(jù)也將會被發(fā)送，否則認(rèn)為數(shù)據(jù)不變。該閾值和計數(shù)時間一樣，均可通過遠(yuǎn)程服務(wù)器靈活設(shè)置。
[0016]本實用新型的有益效果是:本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，精度高，功耗消耗低。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型總體框架示意圖；
[0018]圖2為本實用新型無線傳感器節(jié)點分簇結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本實用新型簇頭節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為本實用新型算法流程圖。
【具體實施方式】
[0021]為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實用新型。
[0022]如圖1所示，一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成:底層為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)10，中層為GPRS網(wǎng)絡(luò)20，上層為Internet網(wǎng)絡(luò)或公共移動通信網(wǎng)絡(luò)30，底層無線傳感網(wǎng)絡(luò)10和中層GPRS網(wǎng)絡(luò)20通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點201連接，中層GPRS網(wǎng)路20和上層Internet網(wǎng)絡(luò)30則利用移動網(wǎng)關(guān)50連接。所述底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)10硬件由多個無線傳感器節(jié)點101組成，無線傳感器節(jié)點101之間通過無線通訊模塊通信，無線傳感器節(jié)點101主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。所述中層GPRS網(wǎng)絡(luò)20硬件由網(wǎng)關(guān)節(jié)點201組成，無線傳感器節(jié)點101所采集的數(shù)據(jù)最終到要匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點201，該網(wǎng)關(guān)節(jié)點201完成無線傳感器節(jié)點101的信息交匯、數(shù)據(jù)存儲和指令收發(fā)等功能。所述上層Internet網(wǎng)絡(luò)30硬件由遠(yuǎn)程服務(wù)器301和各客戶端302組成，服務(wù)器301連接有監(jiān)視器303;服務(wù)器301從網(wǎng)關(guān)節(jié)點201接收信息，完成數(shù)據(jù)解析、處理、存儲、查詢、統(tǒng)計、圖表繪制、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、決策支持等。
[0023]如圖2所示，無線傳感器節(jié)點101采用分簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議。將被測量農(nóng)田分成若干個區(qū)域，每個區(qū)域部署一定數(shù)量的無線傳感器節(jié)點101，其中有一個節(jié)點為簇頭102，其余節(jié)點為簇成員103，在不影響獲取整個區(qū)域土壤墑情準(zhǔn)確度的情況下，盡量使簇成員103均勻分布在簇頭102的周圍，使區(qū)域內(nèi)無線傳感器節(jié)點101的功耗和為最低。每個無線傳感器節(jié)點101將采集的墑情信息傳給本區(qū)域的簇頭102節(jié)點，簇頭102節(jié)點對各個無線傳感器節(jié)點101的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，如求平均值，以獲取本檢測區(qū)域整體土壤墑情信息。簇頭102節(jié)點將處理、融合后的數(shù)據(jù)傳輸給更高一級的簇頭，直至到達(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點201。
[0024]如圖3所示，簇頭節(jié)點由墑情監(jiān)測傳感器模塊、控制器模塊、北斗定位模塊、無線通訊模塊和電源模塊組成。所述墑情監(jiān)測傳感器模塊為四通道溫濕度變送器，監(jiān)測土壤的含水率、氣溫、相對濕度和地下水位。四通道溫濕度變送器輸出的電壓信號送控制器模塊的AD，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，控制器模塊對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由經(jīng)驗公式可計算出各信息參數(shù)。所述控制器模塊采用低功耗的STM32F101T4型號的單片機，所述北斗定位模塊采集檢測區(qū)域所在位置信息，并傳輸給控制器模塊，控制器模塊將本區(qū)域的位置信息和計算出的土壤墑情參數(shù)通過無線通訊模塊無線發(fā)送?？紤]到農(nóng)田陽光充足和簇頭節(jié)點的通信任務(wù)重，功耗需求大，所述供電電源采用太陽能和鋰電池兩級能源供電，為商情監(jiān)測傳感器模塊、控制器模塊、北斗定位模塊和無線通訊模塊提供能源。考慮到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的低成本要求，簇成員節(jié)點不安裝北斗定位模塊，由于簇成員任務(wù)輕，功耗消耗低，電源僅含鋰電池。
[0025]工作方法:
[0026]如圖4所示，系統(tǒng)初始化，通過遠(yuǎn)程服務(wù)器設(shè)置計數(shù)時間參數(shù)和門限值，考慮到土壤墑情信息變化緩慢和功耗因素，計數(shù)時間參數(shù)可設(shè)置較長。門限值可根據(jù)需要靈活設(shè)置。設(shè)置后的參數(shù)由上層網(wǎng)路向下層網(wǎng)絡(luò)傳輸，最終到達(dá)各個傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點按計數(shù)時間定期向簇頭傳輸數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點將處理后的信息傳給下一跳簇頭，最終所有簇頭的數(shù)據(jù)都會匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點對各簇頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給移動網(wǎng)關(guān)，移動網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)絡(luò)或公共移動網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程的服務(wù)器，遠(yuǎn)程服務(wù)器對數(shù)據(jù)解析、處理、圖表繪制、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、決策支持等。通過網(wǎng)絡(luò)終端可實時了解土壤墑情的變化情況。在一個計數(shù)時間周期內(nèi)，傳感器節(jié)點會繼續(xù)監(jiān)測土壤墑情信息，若新測量的數(shù)據(jù)與前一次檢測的數(shù)據(jù)之間的差異超過了門限值，這時傳感器節(jié)點將立即啟動無線通訊模塊將新數(shù)據(jù)發(fā)送，若二者之間差異小于門限值，傳感器節(jié)點就不會發(fā)送信息。
[0027]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項】
1.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成:底層為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，中層為GPRS網(wǎng)絡(luò)，上層為Internet網(wǎng)絡(luò)，底層和中層通過設(shè)置網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接，中層和上層則利用公共移動網(wǎng)關(guān)連接； 所述底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個無線傳感器節(jié)點組成，無線傳感器節(jié)點之間通過無線通訊模塊通信，無線傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸； 所述中層GPRS網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成，完成無線傳感器節(jié)點的信息交匯、數(shù)據(jù)存儲、指令收發(fā)以及參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置功能； 所述上層Internet網(wǎng)絡(luò)由遠(yuǎn)程服務(wù)器和各客戶端組成，服務(wù)器從網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收信息，完成數(shù)據(jù)解析、處理、存儲、查詢、統(tǒng)計、圖表繪制、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布及決策支持。
【文檔編號】H04W52/02GK205622666SQ201620360422
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】王憲菊, 陳曙光, 趙發(fā)勇, 韋永梅
【申請人】阜陽師范學(xué)院