CN108168603A - 一种新型的基于无线传感器网络的温室监测*** - Google Patents

一种新型的基于无线传感器网络的温室监测*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***，包括温室监测网络模块，由分布在温室内的无线传感器节点构成，用于采集温室中温度、湿度、光照强度等环境变量信息，并通过无线通讯协议把数据发送到数据汇聚中心的网关节点上；数据汇聚中心，采用由ARM9为微处理器的网关节点，用于对监测中心的节点数据进行汇总和融合，并通过GSM消息模式发送给远程监测中心；远程监测中心，用于实时接收到温室环境变量的信息，并可通过上位机软件对数据进行存储和处理。本发明在温室内传感器节点单跳距离在40‑60米之间可进行良好的通讯，***稳定、可靠，能满足温室各种传感器信息的采集和发布。

Description

一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***
技术领域
本发明涉及温室监测领域，具体涉及一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***。
背景技术
随着设施农业不断发展，我国温室大棚面积逐年增加，据不完全统计，目前全国设施种植面积达几百万公顷，温室设施产品生产企业已达上百家。温室工程为解决我国城乡居民菜篮子和农民增收，为推进农业结构调整发挥了重要作用，温室种植已在农业生产中占有重要地位。
随着设施农业的发展，工厂化、集约化程度的不断提高，对设施农业环境工程调控技术与设施的要求也越来越高。在工厂化高效农业科技产业项目中，建立现代化的智能温室是其重要的组成部分。温室环境自动控制技术是现代设施农业领域中温室控制的核心内容，智能化温室是集农业科技的高、精尖技术和计算机自动控制技术于一体的先进的农业生产设施，是现代农业科技向产业转化的物质基础，它能营造相对独立的作物生产环境，摆脱传统农业对自然环境的高度依赖。
由于我国农业现代化水平较低，农业劳动力过剩，温室的一次投资大，***以及对操作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室产业中的广泛应用。目前，国内的一些大中型温室其控制***主要采用以下两种形式：一是温室单片机控制***。这种***充分发挥单片机抗干扰能力强、数据采集方便快捷、体积小、性能价格比优越等优点。华北型连栋温室自动控制***就是采用这种控制***，它能很好地完成环境监测、控制、存储及通信功能。二是以工业控制计算机为核心的温室控制***。这两种控制***一般都位于温室现场，给管理造成不方便。另外，国内温室自动控制***虽能较好地完成数据采信、显示与存储功能，但对环境因子的控制水平、控制精度还有待进一步提高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***，包括
温室监测网络模块，由分布在温室内的无线传感器节点构成，用于采集温室中温度、湿度、光照强度等环境变量信息，并通过无线通讯协议把数据发送到数据汇聚中心的网关节点上；
数据汇聚中心，采用由ARM9为微处理器的网关节点，用于对监测中心的节点数据进行汇总和融合，并通过GSM消息模式发送给远程监测中心；
远程监测中心，用于实时接收到温室环境变量的信息，并可通过上位机软件对数据进行存储和处理。
所述无线传感器节点包括
传感器层，由多个传感器模块构成，用于目标数据的采集，所采集到的数据依次经噪音抑制模块、增益放大模块输出至信息处理层；
源速率调整模块，用于进行各个传感器节点速率的计算，并根据预设的算法进行各个传感器节点源速率的调整；
效用模型优化模块，用于通过转发能量来体现各传感器节点之间的协同工作，将一个节点和沿着其路由路径的所有节点构成一个协作体，在此基础上进行联合建模，并根据建模结果完成各传感器节点位置的调整；
信息处理层，由多个信息处理设备构成，各信息处理设备作为相应的传感器的上级设备，用于对传感器上传的信息进行处理，并对传感器进行协同控制，还用于各传感数据内传感器身份信息的识别，一旦未发现某一个传感器的身份信息则启动报警模块进行报警；
信息融合层，由多个情报融合设备构成，作为各信息处理设备的上级设备，用于接收各信息处理设备上报的信息，并进行融合处理，形成情报信息。
所述传感器模块采用的是邯山永星电子研发的YX-GZ光照传感器、Yx-WSD空气温湿度传感器。所述处理器模块由微控制器及其***电路组成，用于负责整个传感节点的设备控制、任务调度、模式调整、功能协调、通信协议的实现和数据整合与存储。所述无线通信模块采用GSM无线通讯模块。
所述温室监测***基于最小跳数的无线传感器网络自组织路由协议，所有节点只要记忆自己的上行转发队列和最小跳数，就可以实现信息路由。其中，数据包按照流向被分为两类：始于传感节点的数据称为上行数据，终于传感节点的数据称为下行数据，下行数通过广播方式发送；而上行数据的传输按照网络初始化时生成的路由信息表进行。
本发明在温室内传感器节点单跳距离在40-60米之间可进行良好的通讯，***稳定、可靠，能满足温室各种传感器信息的采集和发布。
附图说明
图1为本发明实施例中传感器节点流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***，包括
温室监测网络模块，由分布在温室内的无线传感器节点构成，用于采集温室中温度、湿度、光照强度等的环境变量信息，并通过无线通讯协议把数据发送到数据汇聚中心的网关节点上；
数据汇聚中心，采用由ARM9为微处理器的网关节点，用于对监测中心的节点数据进行汇总和融合，并通过GSM消息模式发送给远程监测中心；
远程监测中心，用于实时接收到温室环境变量的信息，并可通过上位机软件对数据进行存储和处理。
如图1所示，所述无线传感器节点包括
传感器层，由多个传感器模块构成，用于目标数据的采集，所采集到的数据依次经噪音抑制模块、增益放大模块输出至信息处理层；
源速率调整模块，用于进行各个传感器节点速率的计算，并根据预设的算法进行各个传感器节点源速率的调整；
效用模型优化模块，用于通过转发能量来体现各传感器节点之间的协同工作，将一个节点和沿着其路由路径的所有节点构成一个协作体，在此基础上进行联合建模，并根据建模结果完成各传感器节点位置的调整；
信息处理层，由多个信息处理设备构成，各信息处理设备作为相应的传感器的上级设备，用于对传感器上传的信息进行处理，并对传感器进行协同控制，还用于各传感数据内传感器身份信息的识别，一旦未发现某一个传感器的身份信息则启动报警模块进行报警；
信息融合层，由多个情报融合设备构成，作为各信息处理设备的上级设备，用于接收各信息处理设备上报的信息，并进行融合处理，形成情报信息
本具体实施中所述传感器模块采用的是邯山永星电子研发的YX-GZ光照传感器、Yx-WSD空气温湿度传感器。
光照控制分为两个部分。其中一个部分是温室的外遮阳***，传感器根据室外的太阳光照强度来控制遮阳设备或者保温棉被，另一个部分是温室内的补光***。这两种光照控制基本类似。***对于灯光的控制分为24小时制，工作人员可以设置不同时间段的光照组合强度，***通过当前运行的时间和用户设定的时间光照强度来自动控制外遮阳***和灯光的组合，完成不同植物对于环境中的不同光照要求。且可以模拟全天候日照量。
数据采集控制***根据光照度传感器送回的光照强度与设定时间段的光照强度比较，自动控制外遮阳***和补光灯的组合个数、来满足光照强度的要求。
温度控制方案中主要依靠温度传感器、水帘、负压风机降温***、加热***、天窗、侧窗通风***等设备配合工作。原则上要求***温控力求做到精度高、稳定性好、动作频次少、节能环保。***中的水帘、负压风机降温***，在将温度过程的同时对环境湿度的有所增加，可有效地减少湿度控制***的负担，节约了运行成本。
***首先根据温度传感器送回温度信息的前十几组数据经过偏移修正后判断当前室内环境的温度变化趋势，结合设定的环境温度值和环境温度允许波动值，由***内部逻辑判断机制决定是否开启相应的调温装置。这其中的参数又取决与室外的气象站温度参数，当室外的温度参数能够满足室内的需求时，***会优先开启天窗、侧窗设备，利用室外空气来调整室内所需的调温需求，水帘、负压风机降温***的大功率运行，做到了节约能源，降低成本的目的。当室外温度不适合应用于室内调温的需求时，控制***将会打开相应的调温设备，水帘、负压风机等设备，在温度控制过程中有效地利用了环境空气这个优点，有效的节约了能源、降低了设备的开启频度、延长了设备的使用寿命。在节约成本、节能降耗、减少碳排量等问题上表现优良，建立了良好的口碑，受到了项目建造方的高度评价。
数据采集控制***根据湿度传感器送回的湿度数据，进过内部科学的连续计算处理后，得到当前空气湿度的有效差值，通过控制加湿设备和来控制室内湿度的控制。需要说明的是在冬季，调整室内的温度和湿度的困难程度相对较大，而且在加湿和除湿的过程中对室内环境空气的焓值有相当大的影响，这就必然影响了室内空气温度的大范围波动，造成温控***频繁动作，加大了温控***的工作量，增加了***的运行成本，在设备使用寿命、温度调控精度以及湿度调整精度上大打折扣。因此采用合理的湿度控制方式是很必要的。
所述处理器模块由微控制器及其***电路组成，用于负责整个传感节点的设备控制、任务调度、模式调整、功能协调、通信协议的实现和数据整合与存储等。它在传感节点的设计中是至关重要的。
所述无线通信模块采用GSM无线通讯模块。GPRS/CDMA无线数传DTU系列是基于2.5G的数据通讯网络终端产品，使工业用RS232/RS485串口通信通过GPRS/CDMA无线网络与中心计算机软件平台通信。为用户提供稳定可靠、经济实用、永远在线、透明数据传输的专用数据传输通道。产品广泛用于环保监测、水情监测、楼宇自控、智能交通、配电监控、油井监控等无线数据采集及监控领域。
所述汇聚节点由数据采集控制器完成。数据采集控制器采用ARM为控制核心的控制器，运行速度更快，稳定性更可靠。控制器具备14路模拟量输入，12个开关量输入和14个开关量输出，并且具有模块化功能扩展，方便用户升级、功能扩展。可连接多种传感器，从而实现多种信息的采集，复杂流程的实现。具有人机交互界面，全汉字动态液晶屏显示，轻触键组合操作，界面友好，显示清晰，实时显示环境的基本参数，可实现控制参数的录入，信息采集、运行情况的监控，从而实现复杂的流程控制，更可脱离上位机(计算机监控软件)单独运行。
所述温室监测***基于最小跳数的无线传感器网络自组织路由协议，保证了任何节点发出的信息都沿着最优(所经过的中间节点最少)路径向网关发送，而且避免了引起过多的路由信息包。所有节点只要记忆自己的上行转发队列和最小跳数，就可以实现信息路由。该协议用于温室监测的无线网络时，具有良好的效果。
温室监测应用的无线传感器网络中，数据包按照流向被分为两类：始于传感节点的数据称为上行数据，终于传感节点的数据称为下行数据。由于下行数据较少，并且一般都是面向全体传感节点，因此，通过广播方式发送；而上行数据的终点都是汇聚节点，具有明确的方向性，所以数据的传输按照网络初始化时生成的路由信息表进行，可以有效减少冗余信息的产生，降低***的功耗。
通讯协议表
通讯端口设置：波特率 9600 数据位 8 停止位 1 校验 无
通讯协议格式：EB 90 EB 90 站号 命令字 数据内容 校验和 ED
数据长度：从命令字开始 到 ED 结束所有的字节数量和。
校验：CRC 校验 起始位置 第一个字节开始 到“数据内容”的最后一个字节结束。
本具体实施中上位机上的监测软件采用Delphi7.0进行开发。根据***特点以及所要实现的功能，上位机软件设计可以分为：串口通信程序设计、数据库设计以及上位机监控主窗体界面设计三部分。
该***以实现对温室的监视、控制为主要功能，并对温室环境数据不间断采集、整理、统计、制图。它有着与WINDOWS相一致的界面风格，完善的内存管理和友善直观的操作方式。该软件***还可以直接连接以太网。实现网络监测温室数据功能。它通过通讯线监视温室的当前状态，包括室内温度、室内湿度等采集信息以及各个设备的开关状态。还可以通过通讯线远程设定各个温室的运行参数，如温度目标值、光照目标值。以及设备的开关时间等等。同时它能以曲线的方式绘出某个历史时间段的环境数据的变化曲线，并可以进行打印。可以按年、月、日、时将各个环境数据加以统计，找出任意时间段的最大值、最小值、平均值等信息。在不连接控制器的情况下，该***的数据管理与统计部分仍可以正常使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***，其特征在于，包括：
温室监测网络模块，由分布在温室内的无线传感器节点构成，用于采集温室中的环境变量信息，并通过无线通讯协议把数据发送到数据汇聚中心的网关节点上；
数据汇聚中心，采用由ARM9为微处理器的网关节点，用于对监测中心的节点数据进行汇总和融合，并通过GSM消息模式发送给远程监测中心；
远程监测中心，用于实时接收到温室环境变量的信息，并可通过上位机软件对数据进行存储和处理。
2.如权利要求1所述的一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***，其特征在于，所述无线传感器节点包括
传感器层，由多个传感器模块构成，用于目标数据的采集，所采集到的数据依次经噪音抑制模块、增益放大模块输出至信息处理层；
源速率调整模块，用于进行各个传感器节点速率的计算，并根据预设的算法进行各个传感器节点源速率的调整；
效用模型优化模块，用于通过转发能量来体现各传感器节点之间的协同工作，将一个节点和沿着其路由路径的所有节点构成一个协作体，在此基础上进行联合建模，并根据建模结果完成各传感器节点位置的调整；
信息处理层，由多个信息处理设备构成，各信息处理设备作为相应的传感器的上级设备，用于对传感器上传的信息进行处理，并对传感器进行协同控制，还用于各传感数据内传感器身份信息的识别，一旦未发现某一个传感器的身份信息则启动报警模块进行报警；
信息融合层，由多个情报融合设备构成，作为各信息处理设备的上级设备，用于接收各信息处理设备上报的信息，并进行融合处理，形成情报信息。
3.如权利要求2所述的一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***，其特征在于，所述传感器模块采用的是邯山永星电子研发的YX-GZ光照传感器、Yx-WSD空气温湿度传感器。
4.如权利要求2所述的一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***，其特征在于，所述处理器模块由微控制器及其***电路组成，用于负责整个传感节点的设备控制、任务调度、模式调整、功能协调、通信协议的实现和数据整合与存储。
5.如权利要求2所述的一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***，其特征在于，所述无线通信模块采用GSM无线通讯模块。
6.如权利要求2所述的一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***，其特征在于，所述温室监测***基于最小跳数的无线传感器网络自组织路由协议，所有节点只要记忆自己的上行转发队列和最小跳数，就可以实现信息路由。
7.如权利要求6所述的一种新型的基于无线传感器网络的温室监测***，其特征在于，数据包按照流向被分为两类：始于传感节点的数据称为上行数据，终于传感节点的数据称为下行数据，下行数通过广播方式发送；而上行数据的传输按照网络初始化时生成的路由信息表进行。
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