CN107959729B - 基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***及方法 - Google Patents

基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***及方法，其中***包括环境监测装置、基站和监测中心，其中环境监测装置包括多个位于待测点的传感器节点，所述传感器节点用于采集待测点的环境信息，并将环境信息发送至基站；基站与监测中心无线连接，用于接收和处理传感器节点发送的环境信息，并将处理后的环境信息发送至监测中心。本发明实现了农作物生长环境的无线监测。

Description

基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***及方法
技术领域
本发明涉及农业监测领域，具体涉及基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***及方法。
背景技术
目前的农作物生长环境监测***存在的主要问题：一是缺乏一种覆盖足够细致的监测***；二是监测***的智能化和网络化程度不够。目前农作物生长环境监测***中的传感器都是以有线的方式与监控台相连，传感器的数量和摆放位置都是固定不变的，要得到农作物生长环境中任意局部的环境参数是不可能的。而且农作物生长环境监测***需要有专业人员在总控台对数据进行定期的监视，这样不仅提高了人力成本，而且可靠性也没有保障。
发明内容
针对上述问题，本发明提供基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***及方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***，包括环境监测装置、基站和监测中心，其中环境监测装置包括多个位于待测点的传感器节点，所述传感器节点用于采集待测点的环境信息，并将环境信息发送至基站；基站与监测中心无线连接，用于接收和处理传感器节点发送的环境信息，并将处理后的环境信息发送至监测中心。
优选地，所述的监测中心连接有信息收发器。
优选地，所述监测中心包括数据存储模块、数据分析模块、控制模块，其中数据存储模块用于将从基站接收到的环境信息存储到内置的数据库中；所述的数据分析模块用于将环境信息与其预设的对应门限值进行比较；所述控制模块用于在环境信息超过对应门限值时控制信息收发器向用户终端发送报警短信。
本发明还提供了基于无线传感器网络的农作物生长环境监测方法，该方法包括如下步骤：
(1)确定农作物生长环境监测区域，在农作物生长环境监测区域设置多个待测点，在每个待测点布设传感器节点；
(2)多个传感器节点通过拓扑演化机制构建成一个用于感测和采集待测点的环境信息的无线传感器网络；
(3)传感器节点感测并采集待测点的环境信息，并通过多跳转发的形式将待测点的环境信息最终发送至基站；
(4)基站接收和处理各传感器节点发送的待测点的环境信息，并将处理后的环境信息发送至监测中心；
(5)监测中心不断扫描最近一段刷新时间内进入数据库的环境信息，使其与预先设定的各类参数门限值进行比较，如果超过门限值则判定为异常，当环境信息超过对应门限值时，监测中心控制与其连接的信息收发器向用户终端发送报警短信。
可选地，所述环境信息包括温度、湿度和光强。
本发明的有益效果为：可以用于完成对农作物生长环境的实时全面监测，其所采用的监测方法可以对作物的生长环境的变化做出及时的应对措施。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例的农作物生长环境监测***的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的监测中心的结构示意图；
图3是本发明一个实施例的农作物生长环境监测方法的流程图。
附图标记：
环境监测装置1、基站2、监测中心3、信息收发器4、数据存储模块10、数据分析模块20、控制模块30。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本实施例提供的基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***，包括环境监测装置1、基站2和监测中心3，其中环境监测装置1包括多个位于待测点的传感器节点，所述传感器节点用于采集待测点的环境信息，并将环境信息发送至基站2；基站2与监测中心3无线连接，用于接收和处理传感器节点发送的环境信息，并将处理后的环境信息发送至监测中心3。
可选地，所述的监测中心3连接有信息收发器4。
在一个实施例中，如图2所示，监测中心3包括数据存储模块、数据分析模块、控制模块，其中数据存储模块用于将从基站2接收到的环境信息存储到内置的数据库中；所述的数据分析模块用于将环境信息与其预设的对应门限值进行比较；所述控制模块用于在环境信息超过对应门限值时控制信息收发器4向预设的用户终端发送报警短信。
参见图3，本发明还提供了基于无线传感器网络的农作物生长环境监测方法，包括如下步骤：
S01确定农作物生长环境监测区域，在农作物生长环境监测区域设置多个待测点，在每个待测点布设传感器节点；
S02多个传感器节点通过拓扑演化机制构建成一个用于感测和采集待测点的环境信息的无线传感器网络；
S03传感器节点感测并采集待测点的环境信息，并通过多跳转发的形式将待测点的环境信息最终发送至基站；
S04基站接收和处理各传感器节点发送的待测点的环境信息，并将处理后的环境信息发送至监测中心；
S05监测中心不断扫描最近一段刷新时间内进入数据库的环境信息，使其与预先设定的各类参数门限值进行比较，如果超过门限值则判定为异常，当环境信息超过对应门限值时，监测中心控制与其连接的信息收发器向用户终端发送报警短信。
可选地，所述环境信息包括温度、湿度和光强。
本发明上述实施例提供的温室精细作物生长环境监测***可以用于完成对农作物生长环境的实时全面监测，其所采用的监测方法可以对作物的生长环境的变化做出及时的应对措施。
在一个实施例中，拓扑演化机制具体包括：
S001初始时刻，基站2与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑；
S002每过一个时间步长，向当前拓扑中加入一个传感器节点；
S003新加入的传感器节点根据当前剩余能量调节自身的通信半径，并确定当前拓扑的位于其通信半径范围内的传感器节点，归入邻居节点集；
S004新加入的传感器节点计算邻居节点集中每一个传感器节点被选择连接的概率；
S005根据计算出的概率由大到小的顺序从邻居节点集中选出m0个传感器节点进行连接，其中m0<m，其中m为邻居节点集中包含的传感器节点个数；
S006继续执行步骤S002到S005，直到N1个传感器节点加入拓扑，其中N0+N1＝N，其中N0为初始拓扑包含的传感器节点个数，N为部署在设定的监测区域内的传感器节点个数。
相关技术中，无标度网络中连接度分布函数具有幂率形式，由于其节点的度没有特征长度，因而基于复杂网络无标度性构建的传感器网络拓扑，可使网络具有较高的随机抗毁性，且节点间连接链路较少，减少通信浪费。该方法虽然从随机抗毁性方面提高了网络性能，但由于其度分布的不均匀，导致一些关键节点能量消耗巨大，使其过早死亡从而导致网络的失效。本实施例在该方法的基础上进行进一步改进，提出了一种新的拓扑演化机制来构建无线传感器网络拓扑。
在一个实施例中，传感器节点被选择连接的概率根据下列公式计算：
Figure GDA0002748572900000041
式中，Λz表示新加入的传感器节点z的邻居节点集，∏(x)表示邻居节点集中第x个传感器节点被选择连接的概率，Dx为所述第x个传感器节点的节点度，Wx为所述第x个传感器节点的当前剩余能量，B(x,z)为所述第x个传感器节点与新加入的传感器节点z之间的距离，B(x,sink)为所述第x个传感器节点到基站2的距离，y表示邻居节点集中第y个传感器节点，Dy为所述第y个传感器节点的节点度，Wy为所述第y个传感器节点的当前剩余能量，B(y,z)为所述第y个传感器节点与新加入的传感器节点z之间的距离，B(y,sink)为所述第y个传感器节点到基站2的距离，a1、a2为预设的权重系数。
无线传感器网络的拓扑结构是无线传感器网络生存的基础，而有限的传感器节点能量通常会造成传感器节点能量耗尽失效而引起拓扑分割，基于此，本实施例在构建无线传感器网络的拓扑结构时，定义了新的传感器节点被选择连接的概率的计算公式；
由该概率计算公式可知，传感器节点被选择连接的概率与当前剩余能量、节点度、节点间距离以及与基站2的距离有关，当传感器节点的当前剩余能量较大、节点度较大、节点间距离较小、与基站2的距离较近时，被选择连接的概率更大，有利于促使新加入的传感器节点首先连接消耗能量较少且较多剩余能量的传感器节点，使得生成的拓扑能够均衡网络能耗，从而降低农作物生长环境监测的能耗，提高农作物生长环境监测的可靠度。
在一个实施例中，基站2与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑，具体为：将距离基站2小于BT的传感器节点直接与基站2构建拓扑连边，其中BT为设定的距离阈值。
在另一个实施例中，基站2与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑，具体为：
(1)基站2确定各附近节点的效用值，其中附近节点为距离基站2小于BT的传感器节点；
其中，设Rp表示附近节点p的效用值，Rp的计算公式为：
Figure GDA0002748572900000042
式中，Wp为附近节点p的当前剩余能量，B(p,sink)为附近节点p到基站2的距离，Welec为射频传输系数，εamp为传感器节点的发送电路的放大系数，Bp-max为附近节点p与其相距最远的邻居节点的距离；
(2)设置效用值阈值RT，将满足Rp>RT的附近节点与基站一同构成初始拓扑。
本实施例对无线传感器网络初始拓扑的构建方式进行了限定，由于传感器节点的剩余能量以及距离基站2的距离将会影响到传感器节点的生命周期，本实施例根据效用值来选取构建初始拓扑的传感器节点，只将当前剩余能量、与基站2距离满足要求的传感器节点参与初始拓扑的构建，从而能够保证初始拓扑的稳定性，提高初始拓扑的抗毁性能，且有利于均衡无线传感器网络的能耗，使得生成的无线传感器网络拓扑能够更加可靠地进行环境信息的采集。
在一个实施例中，传感器节点的通信半径能够在L1<L2<…<LN之间连续切换。
在一个实施例中，所述的新加入的传感器节点根据当前剩余能量调节自身的通信半径，具体包括：
(1)新加入的传感器节点获取当前拓扑内的各个传感器节点的当前剩余能量；
(2)根据当前剩余能量计算通信半径估值，设Li表示新加入的传感器节点i的通信半径估值，Li的计算公式为：
Figure GDA0002748572900000051
式中，Wi为新加入的传感器节点i的当前剩余能量，Wj为在当前拓扑内的第j个传感器节点的当前剩余能量，ni表示当前拓扑具有的传感器节点的个数；
(3)若Ln<Li<Ln+1，其中L1≤Ln<Ln+1≤LN，则新加入的传感器节点调节其自身的通信半径为Ln+1。
本实施例提出了新加入的传感器节点的通信半径调节机制，新加入的传感器节点通过该机制调节自身的通信半径，能够防止新加入的传感器节点因为能量的过度消耗而失效，有益于增强拓扑的可靠性，且有利于促使无线传感器网络向节能的方向转变，从而有益于节省环境信息采集的成本，提高农作物生长环境监测的安全性和可靠性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***，其特征是，包括环境监测装置、基站和监测中心，其中环境监测装置包括多个位于待测点的传感器节点，所述传感器节点用于采集待测点的环境信息，并将环境信息发送至基站；基站与监测中心无线连接，用于接收和处理传感器节点发送的环境信息，并将处理后的环境信息发送至监测中心；多个位于待测点的传感器节点通过拓扑演化机制构建成一个用于感测和采集待测点的环境信息的无线传感器网络；拓扑演化机制具体包括：
S001初始时刻，基站与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑；
S002每过一个时间步长，向当前拓扑中加入一个传感器节点；
S003新加入的传感器节点根据当前剩余能量调节自身的通信半径，并确定当前拓扑的位于其通信半径范围内的传感器节点，归入邻居节点集；
S004新加入的传感器节点计算邻居节点集中每一个传感器节点被选择连接的概率；
S005根据计算出的概率由大到小的顺序从邻居节点集中选出m0个传感器节点进行连接，其中m0<m，其中m为邻居节点集中包含的传感器节点个数；
S006继续执行步骤S002到S005，直到N1个传感器节点加入拓扑，其中N0+N1＝N，其中N0为初始拓扑包含的传感器节点个数，N为部署在设定的监测区域内的传感器节点个数；
传感器节点被选择连接的概率根据下列公式计算：
Figure FDA0002748572890000011
式中，Λz表示新加入的传感器节点z的邻居节点集，∏(x)表示邻居节点集中第x个传感器节点被选择连接的概率，Dx为所述第x个传感器节点的节点度，Wx为所述第x个传感器节点的当前剩余能量，B(x,z)为所述第x个传感器节点与新加入的传感器节点z之间的距离，B(x,sink)为所述第x个传感器节点到基站的距离，y表示邻居节点集中第y个传感器节点，Dy为所述第y个传感器节点的节点度，Wy为所述第y个传感器节点的当前剩余能量，B(y,z)为所述第y个传感器节点与新加入的传感器节点z之间的距离，B(y,sink)为所述第y个传感器节点到基站的距离，a1、a2为预设的权重系数；
基站与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑，具体为：
(1)基站确定各附近节点的效用值，其中附近节点为距离基站小于BT的传感器节点；
其中，设Rp表示附近节点p的效用值，Rp的计算公式为：
Figure FDA0002748572890000021
式中，Wp为附近节点p的当前剩余能量，B(p,sink)为附近节点p到基站的距离，Welec为射频传输系数，εamp为传感器节点的发送电路的放大系数，Bp-max为附近节点p与其相距最远的邻居节点的距离；
(2)设置效用值阈值RT，将满足Rp>RT的附近节点与基站一同构成初始拓扑。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***，其特征是，所述的监测中心连接有信息收发器。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的农作物生长环境监测***，其特征是，所述监测中心包括数据存储模块、数据分析模块、控制模块，其中数据存储模块用于将从基站接收到的环境信息存储到内置的数据库中；所述的数据分析模块用于将环境信息与其预设的对应门限值进行比较；所述控制模块用于在环境信息超过对应门限值时控制信息收发器向用户终端发送报警短信。
4.基于无线传感器网络的农作物生长环境监测方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)确定农作物生长环境监测区域，在农作物生长环境监测区域设置多个待测点，在每个待测点布设传感器节点；
(2)多个传感器节点通过拓扑演化机制构建成一个用于感测和采集待测点的环境信息的无线传感器网络；
(3)传感器节点感测并采集待测点的环境信息，并通过多跳转发的形式将待测点的环境信息最终发送至基站；
(4)基站接收和处理各传感器节点发送的待测点的环境信息，并将处理后的环境信息发送至监测中心；
(5)监测中心不断扫描最近一段刷新时间内进入数据库的环境信息，使其与预先设定的各类参数门限值进行比较，如果超过门限值则判定为异常，当环境信息超过对应门限值时，监测中心控制与其连接的信息收发器向用户终端发送报警短信；
拓扑演化机制具体包括：
S001初始时刻，基站与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑；
S002每过一个时间步长，向当前拓扑中加入一个传感器节点；
S003新加入的传感器节点根据当前剩余能量调节自身的通信半径，并确定当前拓扑的位于其通信半径范围内的传感器节点，归入邻居节点集；
S004新加入的传感器节点计算邻居节点集中每一个传感器节点被选择连接的概率；
S005根据计算出的概率由大到小的顺序从邻居节点集中选出m0个传感器节点进行连接，其中m0<m，其中m为邻居节点集中包含的传感器节点个数；
S006继续执行步骤S002到S005，直到N1个传感器节点加入拓扑，其中N0+N1＝N，其中N0为初始拓扑包含的传感器节点个数，N为部署在设定的监测区域内的传感器节点个数；
传感器节点被选择连接的概率根据下列公式计算：
Figure FDA0002748572890000031
式中，Λz表示新加入的传感器节点z的邻居节点集，∏(x)表示邻居节点集中第x个传感器节点被选择连接的概率，Dx为所述第x个传感器节点的节点度，Wx为所述第x个传感器节点的当前剩余能量，B(x,z)为所述第x个传感器节点与新加入的传感器节点z之间的距离，B(x,sink)为所述第x个传感器节点到基站的距离，y表示邻居节点集中第y个传感器节点，Dy为所述第y个传感器节点的节点度，Wy为所述第y个传感器节点的当前剩余能量，B(y,z)为所述第y个传感器节点与新加入的传感器节点z之间的距离，B(y,sink)为所述第y个传感器节点到基站的距离，a1、a2为预设的权重系数；
基站与其附近的传感器节点一同构成初始拓扑，具体为：
(1)基站确定各附近节点的效用值，其中附近节点为距离基站小于BT的传感器节点；
其中，设Rp表示附近节点p的效用值，Rp的计算公式为：
Figure FDA0002748572890000032
式中，Wp为附近节点p的当前剩余能量，B(p,sink)为附近节点p到基站的距离，Welec为射频传输系数，εamp为传感器节点的发送电路的放大系数，Bp-max为附近节点p与其相距最远的邻居节点的距离；
(2)设置效用值阈值RT，将满足Rp>RT的附近节点与基站一同构成初始拓扑。
5.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的农作物生长环境监测方法，其特征是，所述环境信息包括温度、湿度和光强。
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Address after: 319 Shenjia Road, Xiacheng District, Hangzhou, Zhejiang 310000

Applicant after: ZHEJIANG EVOTRUE NET TECHNOLOGY STOCK Co.,Ltd.

Address before: 234000 Caocan Town, Yongqiao District, Suzhou City, Anhui Province

Applicant before: Pan Yanling

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Denomination of invention: Crop Growth Environment Monitoring System and Method Based on Wireless Sensor Networks

Effective date of registration: 20230825

Granted publication date: 20210507

Pledgee: Hangzhou United Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Dongxin sub branch

Pledgor: ZHEJIANG EVOTRUE NET TECHNOLOGY STOCK CO.,LTD.

Registration number: Y2023980053806