專利名稱：西瓜育苗環境參數監測系統及方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感器網絡技術，特別涉及一種西瓜育苗環境參數監測系統及方法。
背景技術：
農業產業結構調整以來，西瓜種植面積在不斷增加。但是由于西瓜重茬種植后，西 瓜枯萎病嚴重，重則造成絕收。當前主要采取的措施是輪作換茬，但是由于農民的耕地有 限，加之西瓜輪作周期7 8年，此法成為影響西瓜生產發展的一大瓶頸。目前大部分地區 開展西瓜嫁接技術，西瓜枯萎病明顯得到了改善。但是西瓜苗在嫁接后如何管理，如何保證 嫁接苗的成活率成為另一個突出的問題。嫁接苗的成活率與溫度、濕度以及光照強度等因 素密切相關，溫度、濕度及光照強度等因素超過一定的閾值會導致西瓜苗死亡，農民還需重 新嫁接育苗。這樣不但耽誤育苗的好時機，還給農民造成巨大損失。集傳感器技術、嵌入式計算技術、微機電技術、分布式信息處理技術及無線通信網 絡技術于一體的無線傳感器網絡因其廣闊的應用前景已經成為當前備受關注的、多學科高 度交叉的、知識高度集中的熱點研究領域。無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取平臺，能 夠實時監測和采集網絡分布區域內各種檢測對象的信息，并將這些信息發送到網關節點， 以實現復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤。目前，無線傳感器網絡技術已經被廣泛應用于 農業、軍事、航空、醫療和工業等領域，國內外眾多學者對其進行了深入的研究。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，簡稱WSN)中，節點通常采用電池供 電，能量不可再生且非常有限；并且節點體積小，存儲容量較小，處理能力和無線通信能力 相對比較低。如何充分利用這些有限的能量和資源，建立合適的路由，盡可能地傳輸被測區 域的有效數據，成為一個熱點問題。由于無線通信模塊占了整個節點能量消耗的主要部分， 因此采取有效的措施減少無線通信模塊的能量損耗有重要意義。一般情況下，WSN拓撲控 制的共性目標主要是保障節點間可達性、降低能量損耗、提升網絡容量、減小信道干擾以及 增強空間復用率等。對于某些特點應用，拓撲控制的目標還涉及支持弱移動性、減小傳輸延 遲、優化通信鏈路質量等其它方面。目前采用的WSN網絡拓撲主要有平面型拓撲、分簇拓撲和網狀網絡拓撲等，它們 大多針對單sink節點的WSN環境而提出。傳統的平面拓撲控制機制已不能滿足無線傳感 器網絡的大規模組網要求，而且不能很好的支持局部數據融合、高效能耗管理以及傳感器 的工作、休眠調度機制等。分簇機制已經成為部署和實現高效可擴展性密集布設無線傳感 器網絡的拓撲控制方法，其在數據匯聚、融合、能量效率、滿足網絡QoS要求等方面取得較 好的改善，但是目前的分簇方法主要關注如何形成基本分簇結構，而對于簇間通信機制沒 有給與很好的考慮。網狀網絡技術目前主要應用于高速自組織無線網絡中，對于對等通信 和多跳傳輸具有良好的支持性，對于維護無線網絡的運行，保持對跳傳輸暢通具有重要作 用。用網狀網絡的優勢在于通訊的可靠性大為增加，因為兩個節點之間可以存在多條通訊 鏈路，并且這些鏈路是動態建立并維護的，通訊不會由于某些中間節點的失效而中斷。另外，在使用多跳技術的網狀網絡中，各節點的通訊功耗可以大大降低。
發明內容
(一)要解決的技術問題 本發明要解決的技術問題是時刻準確監測大棚的溫濕度和光照強度等環境參數 條件，提高西瓜苗的成活率，節省農民時間，降低勞動強度。( 二 )技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供了一種西瓜育苗環境參數監測系統，包括數個無線傳感器節點，用于采集育苗場所的環境參數，將所述環境參數處理并發 送至無線網關節點；無線網關節點，用于接收所述無線傳感器節點發送的環境參數，并發送至監測終 端；監測終端，與所述無線網關節點相連接，用于存儲接收到的環境參數，并且將所述 環境參數與存儲的適于西瓜生長的環境參數閾值相比較，根據比較結果控制育苗場所的環
^Mi ο其中，所述無線傳感器節點包括傳感器單元，用于采集所述環境參數；轉換單元，用于將所述環境參數進行模數轉換處理，得到數字化的環境參數；微處理器單元，用于將所述數字化的環境參數進行融合過濾處理，得到處理后的 環境參數；通信單元，用于發送所述處理后的環境參數，接收其它傳感器節點發送的環境參 數。所述無線傳感器節點的組網方式包括由分布在數個塑料大棚內的簇成員節點和 簇頭節點組成的層次組網方式；由分布在數個塑料大棚內和塑料大棚外的簇頭節點組成的 網狀組網方式。所述監測終端比較出所述處理后得到環境參數超出環境參數閾值時，所述監測終 端還報警。所述監測終端具有用戶界面，其包括用戶管理單元，用于提供用戶注冊、登錄功能，并對用戶設置不同的操作權限；數據接收存儲單元，用于接收所述無線網關節點發送的環境參數，對所述環境參 數進行解析，根據所述環境參數的采集時間進行存儲；數據導出單元，用于導出存儲的環境參數；分析單元，用于以時間為橫軸繪制監測到的環境參數隨時間變化的曲線；網絡拓撲結構顯示單元，用于用戶查看無線傳感器節點的組網方式。本發明還提供了一種使用上述西瓜育苗環境參數監測系統的西瓜育苗環境參數 監測方法，包括步驟10、采集育苗場所的環境參數，將所述環境參數處理并發送；步驟20、將處理后得到的環境參數與設定的環境參數閾值進行比較，根據比較結 果控制育苗場所的環境。
其中，所述步驟10具體包括步驟101、采集育苗場所的環境參數，所述環境參數包括光照強度參數、溫度參數、 濕度參數以及氣壓參數中的一種或多種；步驟102、將所述環境參數進行模數轉換得到數字化的環境參數；步驟103、將所述數字化的環境參數進行融合過濾處理，得到處理后的環境參數；步驟104、將所述處理后的環境參數發送。所述步驟10之前還包括簇成員節點和簇頭節點組成層次網絡結構的步驟，具體 包括步驟01、簇頭節點在廣播時段向簇成員節點發送Beacon幀；步驟02、簇成員節點接收簇頭節點發送的Beacon幀；如果所述簇成員節點已經加 入了一個簇頭節點，則丟棄接收到的Beacon幀；如果所述簇成員節點還沒有加入任何簇頭 節點，則記錄接收到的Beacon幀對應的簇頭節點的地址，并向所述簇頭節點發送Request 幀請求加入；步驟03、所述簇頭節點接收到簇成員節點發送的Request幀，判斷是否已達到設 置的最大成員數，是則拒絕所述簇成員節點加入，并回復Deny幀；否則，允許所述簇成員節 點加入，并回復Admit幀。所述步驟10之前還包括簇頭節點之間組成層次網絡結構的步驟，具體包括步驟01’、簇頭節點在廣播時段向其它簇頭節點發送Beacon幀；步驟02，、接收到該Beacon幀的簇頭節點，回復Receive幀，并將與發送Beacon幀 的簇頭節點之間鏈路代價保存在路由表中。 所述步驟104具體包括簇成員節點將采集到的環境參數發送給加入的簇頭節點；簇頭節點將自身采集的環境參數和接收到的環境參數進行融合處理，將所述處理 后的環境參數發送給相鄰鏈路代價最小的其它簇頭節點或無線網關節點。(三)有益效果本發明提供的西瓜育苗環境參數監測系統及方法，利用無線傳感器網絡技術實時 監測塑料大棚內環境的溫度和濕度以及光照強度等環境參數，如果監測量超過預設閾值， 就會報警，提示農民通過通風、澆水和避光等措施，及時采取行動，從而保證西瓜苗的成活 率；另一方面，通過長期觀測西瓜苗的生長情況，可以總結出利于西瓜苗生長的環境參數， 從而減少農民的損失，提高西瓜的產量，增加農民的收入。


圖1是本發明實施例的西瓜育苗環境參數監測系統結構示意圖；圖2是本發明實施例的無線傳感器模塊結構示意圖；圖3是本發明實施例的西瓜育苗環境參數監測方法流程圖；圖4是本發明實施例的簇成員節點和簇頭節點組成層次網絡結構的流程圖；圖5是本發明實施例的簇頭節點之間組成網狀網絡結構的流程圖；圖6是為本發明實施例的 監測終端結構示意圖。其中，11 簇成員節點；12 簇頭節點；111 傳感器單元；112 轉換單元；113 微處理器單元；114 通信單元；115 電源；116 天線；2 無線網關節點；3 監測終端；31 用戶 管理單元；32 數據接收存儲單元；33 數據導出單元；34 分析單元；35 網絡拓撲結構顯 示單元。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。如圖1所示，是本發明實施例的西瓜育苗環境參數監測系統結構示意圖，本實施 例包括無線傳感器節點、無線網關節點2和監測終端3。其中無線傳感器節點分為簇成員節 點11和簇頭節點12。簇成員節點11與簇頭節點12無線連接，簇頭節點12與無線網關節 點2無線連接，無線網關節點2與監控終端3相連接。其中簇成員節點11和簇頭節點12 設置在多個塑料大棚內，組成層次結構的無線傳感器網絡。新簇成員節點的加入及舊的簇 成員節點的死亡對其它節點沒有影響。簇頭節點12之間組成網狀的網絡結構，該網狀網絡 具有自組織、自恢復的特點。本實施例設置在每個塑料大棚內的無線傳感器節點網絡是分 簇結構，多個簇頭節點組成網狀拓撲結構。如圖2所示，是本發明實施例的無線傳感器節點結構示意圖；本實施例的簇成員 節點與簇頭節點的硬件組成相同，包括傳感器單元111、轉換單元112、微處理器單元113、 通信單元114、電源115和天線116。本實施例的無線傳感器網絡簇成員節點11和簇頭節 點12可以采用MICAZ節點，微處理器單元113可以選擇微處理器芯片ATmegal28L，通信單 元114可以采用CC2420芯片。其中ATmegal28L具有豐富的片上資源和極低的功耗，具有 4 個定時器、4KB SRAMU28KB Flash 和 4KB EEPR0M，擁有 UART、SPI、I2C 和 JTAG 接口，方便 通信單元114和傳感器單元111的接入；此外ATmegal28L有6種電源節能模式，方便低功 耗設計。CC2420芯片是一款符合IEEE802. 15. 4規范的2. 4GHZ射頻芯片，CC2420可以通過 4線SPI總線(Si、SO、SCLK、CSn)設置工作模式、實現讀/寫緩存數據和讀寫狀態寄存器 等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射/接收緩沖器。CC2420芯片采用 加州大學伯克利分校開發的TinyOS嵌入式操作系統來實現，它采用面向組件的結構確保 快速響應和執行動作，同時減小了代碼的大小，突破傳感器存儲資源少的限制。TinyOS嵌入 式操作系統運行在每個傳感器網絡節點上，是上層應用和協議運行的前提。此外TinyOS嵌 入式操作系統提供一系列可重用的組件，一個應用程序可以通過連接配置文件將各種組件 連接起來，以完成所需要的功能。TinyOS的構建包括網絡協議、分布式服務器、傳感器驅動 及數據識別工具，這些組件可以作為進一步開發的基礎。本實施例的傳感器單元111采用 MTS400CA。MTS400CA集成了光、溫濕度、氣壓等多種環境參數監測傳感器。其中對溫濕度的 監測采用SHTll型智能化溫度/濕度傳感器，對光的監測采用光傳感器TLS2550。MTS400CA 具有數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路和抗干擾能力強等特點。如圖3所示，為本發明實施例的西瓜育苗環境參數監測方法流程圖，本方法使用 上述實施例中的西瓜育苗環境參數監測系統，本方法包括如下步驟步驟10、采集育苗場所的環境參數，將該環境參數處理并發送；步驟20、將處理后得到的環境參數與設定的環境參數閾值進行比較，根據比較結 果控制育苗場所的環境。
其中步驟10具體為簇成員節點的各個模塊初始化后進入節能模式，如果計時器 時間到，比如本實施例中可以設置1分鐘采集一次數據，微處理器單元發出一個中斷信號， 然后對微處理器單元內的各個寄存器進行現場保護，傳感器單元根據實際情況，采集育苗 塑料大棚環境的環境參數，該環境參數包括光照度參數、溫度參數、濕度參數以及氣壓參數 中的一種或多種，然后轉換單元將傳感器單元采集的數據進行模數轉換處理得到數字化的 環境參數，然后微處理器單元將這些數字化的環境參數進行融合過濾處理，將處理后的數 據通過通信單元及天線發送出去。 當簇成員節點沒有采集環境參數時，簇成員節點將進入睡眠模式，節省能量；當簇 成員節點采集環境參數后，將采集到的環境參數發送給加入的簇頭節點；簇頭節點將采集 和接收到的環境參數進行處理，然后發送給相鄰鏈路代價最小的其它簇頭節點或無線網關 節點，在整個過程中需要電源單元供電。上述步驟20具體包括無線網關節點通過USB線或者串口線或者網線與監控終 端連接，無線網關節點將接收到的數據傳輸至監測終端，監測終端將接收的數據存入數據 庫中，并與事先設置的環境參數閾值作對比。如果接收的環境參數數據超過了環境參數閾 值，則說明塑料大棚內的環境不適合作物的生長，監測終端就會報警，以提示用戶采取一定 的措施，譬如通風、灑水和遮光等，來改變塑料大棚內的環境。在上述步驟10之前還包括簇成員節點和簇頭節點組成層次網絡結構的流程，如 圖4所示，具體包括步驟01、簇頭節點在廣播時段向簇成員節點發送Beacon幀；本實施例的簇頭節點采用MAC層的分布式廣播退避策略競爭信道，保證廣播的成 功；簇頭節點可以設置為每1分鐘廣播一次，以便新的節點的加入，或者填補舊的節點死亡。步驟02、簇成員節點接收簇頭節點發送的Beacon幀；如果該簇成員節點已經加入 了一個簇頭節點，則丟棄該接收到的Beacon幀；如果該簇成員節點還沒有加入任何簇頭節 點，則記錄接收到的Beacon幀對應的簇頭節點的地址，并向廣播Beacon幀的簇頭節點回復 Request幀請求加入；步驟03、簇頭節點接收到簇成員節點發送的Request幀，判斷是否已達到簇頭節 點設置的最大成員數，是則拒絕該簇成員節點的加入，并回復Deny幀至該簇成員節點；否 則允許該簇成員節點加入，并回復Admit幀至該簇成員節點表示同意其加入。其中簇成員節點主要負責環境參數數據的采集，采用周期性睡眠調度管理。在上述步驟10之前還包括簇頭節點之間組成網狀網絡結構的流程，如圖5所示， 具體包括步驟01’、簇頭節點在廣播時段采用廣播的方式向其它簇頭節點廣播Beacon幀；步驟02，、收到該Beacon幀的其它簇頭節點，回復Receive幀，并將與發送Beacon 幀的簇頭節點之間的鏈路代價記錄在路由表中；當簇頭節點在轉發處理后的環境參數數據 時，查找路由表，選擇鏈路代價最小的鏈路。其中簇頭節點主要負責整個網絡的連通性和數據傳輸，其本身也采集數據，簇頭 節點將采集到的環境參數與接收到的環境參數進行融合處理。每個簇頭節點負責管理若干 簇成員節點。簇頭節點之間采用網狀拓撲結構。網狀拓撲結構具有自組織、自恢復、多跳的特點。無線網關節點接收到所有數據后，將通過中間層軟件對接收到的數據進行解析。 通過一定的計算公式將所采集到的數據轉換成便于用戶識別的數據，然后存儲轉換后的數 據。本實施例采用嵌入式數據庫SQLite。SQLite用于無線傳感器網絡具有一定的優勢，其 代碼是開源的，零配置，無需安裝，響應時間短，提供簡單易用的API接口，可以根據需要進 行程序編寫。本實施例的監控終端用戶界面設計采用Microsoft Visual C++6. 0作為開發工 具，采用數據庫操作方式實現節點數據的存儲、讀取、查詢和分析。根據監控終端的功能需求，監控終端可以包括用戶管理單元31、數據接收存儲單 元32、數據導出單元33、分析單元34和網絡拓撲結構顯示單元35，如圖6所示，為本發明實 施例的監控終端結構示意圖；其中用戶管理單元，主要用于提供用戶注冊、登錄等相關操作功能，并根據系統要 求的不同，對用戶設立不同的操作數據的權限；數據接收存儲單元，用于接收無線網關節點發送的處理后得到的環境參數，無線 網關節點與監控終端之間采用C/S客戶端服務器工作模式，基于Socket編程技術，監聽本 地IP地址的綁定端口，在確認客戶端即無線網關節點的連接請求后，接收無線網關節點發 送的環境參數數據，并根據自定義數據包協議完成數據解析；根據數據的采集時間，采用時 段劃分的數據存儲管理方式，將解析后的數據存儲到數據庫對應表格的對應屬性字段中。數據導出單元，用于提供將存儲的環境參數導出的功能；考慮到監測的環境參數 數據量龐大，并為進一步數據分析挖掘提供數據，監控終端設計此單元，允許用戶將數據庫 中的環境參數數據以合適的形式進行導出。分析單元，用于用戶從數據庫表中讀取監測量數據，以時間為橫軸，繪制監測量隨 時間變化的曲線，分析監測量連續變化的特性。同時用戶界面系統還可以包括報警單元，用于提供報警功能，以提示用戶塑料大 棚內西瓜育苗環境監測數據超過了預先設定的閾值。針對目前瓜農采用溫度計來監測整個大棚的溫度，并且還需要時刻進入大棚查看 溫度來監測瓜苗生長情況，這樣不僅浪費農民的時間，勞動強度較大，而且不能準確實時的 監測大棚的溫度的缺陷；本發明提供了西瓜育苗環境參數監測系統及方法，利用無線傳感 器網絡技術實時監測塑料大棚內環境的溫度和濕度以及光照強度等環境參數，如果監測量 超過預設閾值，就會報警，提示農民通過通風、澆水和避光等措施，及時采取行動，從而保證 西瓜苗的成活率；另一方面，通過長期觀測西瓜苗的生長情況，可以總結出利于西瓜苗生長 的環境參數，從而減少農民的損失，提高西瓜的產量，增加農民的收入。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型 也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
一種西瓜育苗環境參數監測系統，其特征在于，包括數個無線傳感器節點，用于采集育苗場所的環境參數，將所述環境參數處理并發送至無線網關節點；無線網關節點，用于接收所述無線傳感器節點發送的環境參數，并發送至監測終端；監測終端，與所述無線網關節點相連接，用于存儲接收到的環境參數，并且將所述環境參數與存儲的適于西瓜生長的環境參數閾值相比較，根據比較結果控制育苗場所的環境。
2.如權利要求1所述的西瓜育苗環境參數監測系統，其特征在于，所述無線傳感器節 點包括傳感器單元，用于采集所述環境參數；轉換單元，用于將所述環境參數進行模數轉換處理，得到數字化的環境參數； 微處理器單元，用于將所述數字化的環境參數進行融合過濾處理，得到處理后的環境 參數；通信單元，用于發送所述處理后的環境參數，接收其它傳感器節點發送的環境參數。
3.如權利要求1所述的西瓜育苗環境參數監測系統，其特征在于，所述無線傳感器節 點的組網方式包括由分布在數個塑料大棚內的簇成員節點和簇頭節點組成的層次組網方 式；由分布在數個塑料大棚內和塑料大棚外的簇頭節點組成的網狀組網方式。
4.如權利要求1所述的西瓜育苗環境參數監測系統，其特征在于，所述監測終端包括 報警單元，用于當所述處理后得到環境參數超出環境參數閾值時，進行報警。
5.如權利要求4所述的西瓜育苗環境參數監測系統，其特征在于，所述監測終端具有 用戶界面，其包括用戶管理單元，用于提供用戶注冊、登錄功能，并對用戶設置不同的操作權限； 數據接收存儲單元，用于接收所述無線網關節點發送的環境參數，對所述環境參數進 行解析，根據所述環境參數的采集時間進行存儲； 數據導出單元，用于導出存儲的環境參數；分析單元，用于以時間為橫軸繪制監測到的環境參數隨時間變化的曲線； 網絡拓撲結構顯示單元，用于用戶查看無線傳感器節點的組網方式。
6.一種使用權利要求1-5所述任一的西瓜育苗環境參數監測系統的西瓜育苗環境參 數監測方法，其特征在于，包括步驟10、采集育苗場所的環境參數，將所述環境參數處理并發送； 步驟20、將處理后得到的環境參數與設定的環境參數閾值進行比較，根據比較結果控 制育苗場所的環境。
7.如權利要求6所述的西瓜育苗環境參數監測方法，其特征在于，所述步驟10具體包括步驟101、采集育苗場所的環境參數，所述環境參數包括光照強度參數、溫度參數、濕度 參數以及氣壓參數中的一種或多種；步驟102、將所述環境參數進行模數轉換得到數字化的環境參數；步驟103、將所述數字化的環境參數進行融合過濾處理，得到處理后的環境參數；步驟104、將所述處理后的環境參數發送。
8.如權利要求6所述的西瓜育苗環境參數監測方法，其特征在于，所述步驟10之前還包括簇成員節點和簇頭節點組成層次網絡結構的步驟，具體包括 步驟01、簇頭節點在廣播時段向簇成員節點發送Beacon幀；步驟02、簇成員節點接收簇頭節點發送的Beacon幀；如果所述簇成員節點已經加入 了一個簇頭節點，則丟棄接收到的Beacon幀；如果所述簇成員節點還沒有加入任何簇頭節 點，則記錄接收到的Beacon幀對應的簇頭節點的地址，并向所述簇頭節點發送Request幀 請求加入；步驟03、所述簇頭節點接收到簇成員節點發送的Request幀，判斷是否已達到設置的 最大成員數，是則拒絕所述簇成員節點加入，并回復Deny幀；否則允許所述簇成員節點加 入，并回復Admit幀。
9.如權利要求6所述的西瓜育苗環境參數監測方法，其特征在于，所述步驟10之前還 包括簇頭節點之間組成網狀網絡結構的步驟，具體包括步驟01’、簇頭節點在廣播時段向其它簇頭節點發送Beacon幀；步驟02’、接收到該Beacon幀的簇頭節點，回復Receive幀，并將與發送Beacon幀的簇 頭節點之間鏈路代價保存在路由表中。
10.如權利要求7所述的西瓜育苗環境參數監測方法，其特征在于，所述步驟104具體 包括簇成員節點將采集到的環境參數發送給加入的簇頭節點；簇頭節點將自身采集的環境參數和接收到的環境參數進行融合處理，將所述處理后的 環境參數發送給相鄰鏈路代價最小的其它簇頭節點或無線網關節點。
全文摘要
本發明公開了一種西瓜育苗環境參數監測系統及方法，其中該系統包括無線傳感器節點，用于采集育苗場所的環境參數，將所述環境參數處理并發送；無線網關節點，用于接收無線傳感器節點發送的環境參數；監測終端，與所述無線網關節點相連接，用于將接收到的所述處理后得到環境參數存儲，并且與存儲的適于西瓜生長的環境參數閾值相比較，根據比較結果控制育苗場所的環境。本發明提供的系統及方法，能夠根據采集的環境參數控制西瓜育苗環境，從而保證西瓜苗的成活率，減少農民損失，提高西瓜產量，增加農民收入。
文檔編號A01G1/00GK101848240SQ20101016880
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月5日 優先權日2010年5月5日
發明者左小苗, 張樹亮, 張港紅, 朱益龍, 趙佳寧, 高萬林 申請人:中國農業大學