CN108366126A - 一种基于wsn技术的病虫害监测预警*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于WSN技术的病虫害监测预警***，包括无线传感器网络、云服务器和报警器；无线传感器网络的传感器节点散布在需要进行病虫害监控的农业区域；无线传感器网络的基站与云服务器通信连接；云服务器用于存储由传感器节点采集的病虫害监测数据，并对病虫害监测数据进行分析处理，在病虫害监测数据异常时驱动报警器进行报警。本发明利用无线传感器网络技术实现了病虫害的监测及预警。

Description

一种基于WSN技术的病虫害监测预警***

技术领域

本发明涉及农林领域，具体涉及一种基于WSN技术的病虫害监测预警***。

背景技术

近年来，由昆虫等导致的毁灭性虫害病在我国一些地区不断扩散蔓延，对部分地区已造成严重损失。昆虫作为虫害病的传播媒介，对其防治被认为是控制虫害的关键。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于WSN技术的病虫害监测预警***。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种基于WSN技术的病虫害监测预警***，包括无线传感器网络、云服务器和报警器；无线传感器网络的传感器节点散布在需要进行病虫害监控的农业区域；无线传感器网络的基站与云服务器通信连接；云服务器用于存储由传感器节点采集的病虫害监测数据，并对病虫害监测数据进行分析处理，在病虫害监测数据异常时驱动报警器进行报警。

进一步地，还包括与云服务器连接的用户终端。

其中，所述的云服务器还在病虫害监测数据异常时向用户终端发送报警信息。

优选地，所述云服务器包括处理模块以及与其连接的云存储模块、显示模块、报警驱动模块、数据传输模块。

本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术实现了虫害监测，***结构简单，监测精度较高，并设有相应的报警器，方便农民及时发现病虫害，进而能够及时进行病虫害防治。

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病虫害监测预警***的结构示意框图；

图2是本发明一个实施例的云服务器的结构示意框图。

附图标记：

无线传感器网络1、云服务器2、报警器3、用户终端4、处理模块10、云存储模块20、显示模块30、报警驱动模块40、数据传输模块50。

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，本实施例提供的一种基于WSN技术的病虫害监测预警***，包括无线传感器网络1、云服务器2、报警器3；无线传感器网络1的传感器节点散布在需要进行病虫害监控的农业区域；无线传感器网络1的基站与云服务器2通信连接；云服务器2用于存储由传感器节点采集的病虫害监测数据，并对病虫害监测数据进行分析处理，在病虫害监测数据异常时驱动报警器3进行报警；无线传感器网络1采用的网络结构为：各传感器节点通过分簇路由协议划分成多个簇，其中每个簇包括一个主要簇头和一个次要簇头，主要簇头用于聚合簇内传感器节点采集的病虫害监测数据，次要簇头用于接收主要簇头发送的聚合的病虫害监测数据，并将接收的聚合的病虫害监测数据通过多跳路由的方式发送至基站。

进一步地，基于云服务器的虫害监测预警***还包括与云服务器2连接的用户终端4。

其中，云服务器2还在病虫害监测数据异常时向用户终端4发送报警信息。

可选地，如图2所示，所述云服务器2包括处理模块10以及与其连接的云存储模块20、显示模块30、报警驱动模块40、数据传输模块50。其中，处理模块10通过数据传输模块50获取病虫害监测数据，主要用于对病虫害监测数据进行分析处理，判断病虫害监测数据是否异常。可选地，可设置相应的数据异常判断机制，例如，当病虫害监测数据超过设定的阈值时判定该病虫害监测数据为异常，本实施例对此不作限定。

所述的云存储模块20相应的硬件设备可为云存储器，云存储模块20主要用于存储由基站传送的病虫害监测数据以及病虫害监测数据异常判断结果。所述的显示模块30的硬件设备可为显示屏。

本发明上述实施例利用无线传感器网络技术实现了虫害监测，***结构简单，监测精度较高，并设有相应的报警器3，方便农民及时发现病虫害，进而能够及时进行病虫害防治。

在一个实施例中，次要簇头将接收的聚合的病虫害监测数据通过多跳路由的方式发送至基站，具体为：

(1)当次要簇头与基站的距离小于或等于设定的最大距离阈值时，次要簇头的病虫害监测数据以单跳通信的形式直接传输至基站；

(2)当次要簇头与基站的距离大于设定的最大距离阈值时，次要簇头在其一跳邻居节点集内选择当前剩余能量最大的作为中继节点，以完成病虫害监测数据的传输。

本实施例根据次要簇头与基站的距离设定了相应的最佳路由方案，有益于节省将病虫害监测数据转发至基站的能耗。

在一个实施例中，所述的各传感器节点通过分簇路由协议划分成多个簇，包括：

(1)病虫害监测区域内的传感器节点接收基站广播的信标数据包，确定自身到基站的距离，并记录接收到基站广播的信标数据包的实际信号强度和时间，所述的信标数据包还包括由基站设定的各传感器节点接收信标数据包的理论信号强度和理论时间；

(2)每一轮的主要簇头选举开始时，每个传感器节点i随机生成一个介于0到1之间的随机数，并设定阈值S_i，若生成的随机数小于阈值S_i，则该传感器节点i成为工作节点，并立刻加入工作节点集；

(3)工作节点向工作节点集中的其余工作节点广播节点信息，其中节点信息包括自身ID号；

(4)当工作节点接收到其余工作节点的节点信息后，若工作节点α位于工作节点β的感知范围内，则工作节点α加入到工作节点β的邻居节点集中；

(5)工作节点计算自身的竞选能力值，并向邻居节点广播，若在设定的时间阈值内收到竞选能力值更大的邻居节点广播的信息，则放弃主要簇头的竞选；工作节点若在设定的时间阈值内未收到竞选能力值更大的邻居节点广播的信息，则当选为主要簇头并向其余传感器节点广播当选信息，未当选主要簇头的工作节点成为成员节点并加入到最近的主要簇头；

(6)睡眠节点接收到所述的广播当选信息后被激活，并加入到最近的主要簇头，分簇完成后，主要簇头在其簇内的成员节点中选择一个成员节点作为次要簇头。

现有技术中利用LEACH分簇路由协议进行分簇，LEACH分簇路由协议直接将生成的随机数小于阈值的传感器节点作为簇头，这并没有考虑到传感器节点的能耗和传感器节点位置的因素，并且可能生成过多的簇头，从而引起大量的能量消耗。

本实施例在LEACH分簇路由协议的基础上，提出了一种新的分簇路由协议，该协议将生成的随机数小于阈值的传感器节点作为参与到簇头竞选的工作节点，并在工作节点及其邻居节点集中选择竞选能力值较大的作为主要簇头，并由主要簇头进一步选取次要簇头，该协议通过选取主要簇头和次要簇头共同来承担病虫害监测数据的聚合和转发任务，能够降低主要簇头的能耗以及主要簇头轮换的频率，实现能耗分散，进而延长网络的生存时间。

在一个实施例中，主要簇头在其簇内的成员节点中选择一个成员节点作为次要簇头，具体包括：

(1)主要簇头计算其簇内成员节点的权值，设L_k表示主要簇头a的成员节点k的权值，L_k的计算公式为：

式中，G_k为成员节点k的当前剩余能量，G_min为所述设定的最小能量值，X(a,sink)为主要簇头a到基站的距离，X(k,a)为成员节点k到其主要簇头a的距离，X(k,sink)为成员节点k到基站的距离；

z_k为成员节点k收到基站信标数据包的时间，为由基站设定的成员节点k收到基站信标数据包的理论时间，Y_k为工作节点k收到基站信标数据包的实际信号强度，由基站设定的工作节点k收到基站信标数据包的理论信号强度，f(z_k,Y_k)为设定的比较取值函数，当且时，f(z_k,Y_k)＝1，否则f(z_k,Y_k)＝0；

(2)主要簇头将权值最大的成员节点作为次要簇头。

本实施例根据能量以及位置因素创造性地设计了权值的计算公式，并从中引入了根据传感器节点接收基站数据包的实际信号强度与理论信号强度的差别、实际时间与理论时间的差别设计的用于距离的加权系数，使得权值能够更精确地衡量成员节点的位置优势和能量优势；

本实施例将权值最大的成员节点作为次要簇头，能够为主要簇头选择最佳的次要簇头用于承担转发病虫害监测数据的任务，降低了网络中主要簇头与次要簇头之间通信能耗以及次要簇头转发病虫害监测数据到基站的整体能耗，节约了病虫害监测预警***的通信成本。

在一种可选的方式中，主要簇头的当前剩余能量低于其簇内成员节点的平均剩余能量时，主要簇头促使其簇内的所有成员节点重新选举竞选能力值最大的成员节点作为新的主要簇头。

在一个实施例中，所述阈值S_i的设定公式为：

式中，a为设定的主要簇头个数占传感器节点个数百分比的期望值，q为当前轮数，W为在前轮中未当选过主要簇头的传感器节点集合，G_i为传感器节点i的当前剩余能量，G_min为设定的最小能量值，G_i0为传感器节点i的初始能量，W(G_i,G_min)为设定的比较取值函数，当G_i-G_min≥0时，W(G_i,G_min)＝1，当G_i-G_min<0时，W(G_i,G_min)＝0。

本实施例在现有的LEACH分簇路由协议的阈值计算公式的基础上进行改进，引入了能量因素，在限制传感器节点当选为主要簇头的次数的同时降低了剩余能量较小的传感器节点当选为主要簇头的概率，并使得剩余能量小于最小能量值的传感器节点不参与到主要簇头的竞选，有利于保证主要簇头的工作时间，同时降低主要簇头的能耗速率，避免主要簇头过早死亡而影响无线传感器网络1的稳定性，从而保障病虫害监测预警***的稳定运行。

在一种可选的方式中，竞选能力值的计算公式为：

式中，H_j表示工作节点j的竞选能力值，G_j为工作节点j的当前剩余能量，G_min为设定的最小能量值，d_j为工作节点j初始化时的半径，X(j,sink)为工作节点j到基站的距离，z_j为工作节点j收到基站信标数据包的时间，为由基站设定的工作节点j收到基站信标数据包的理论时间，Y_j为工作节点j收到基站信标数据包的实际信号强度，Yj_j ^O由基站设定的工作节点j收到基站信标数据包的理论信号强度，f(z_j,Y_j)为设定的比较取值函数，当且Y_j ^O≥Y_j时，f(z_j,Y_j)＝1，否则f(z_j,Y_j)＝0。

本实施例进一步创造性地设计了竞选能力值的计算公式，考虑了能耗和传感器节点位置的因素，并引入了根据传感器节点接收基站数据包的实际信号强度与理论信号强度的差别、实际时间与理论时间的差别设计的用于距离的加权系数，使得竞选能力值能够更精确地衡量工作节点的位置优势和能量优势。

本实施例在工作节点中选择竞选能力值较大的作为主要簇头，能够避免产生过多的簇头，使得距离基站更近、能量越大的工作节点具有更大概率成为主要簇头，从而有利于避免主要簇头快速失效，同时能够降低病虫害监测数据传输至基站的能耗，节约病虫害监测预警***的通信成本。

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 (6)

1.一种基于WSN技术的病虫害监测预警***，其特征是，包括无线传感器网络、云服务器和报警器；无线传感器网络的传感器节点散布在需要进行病虫害监控的农业区域；无线传感器网络的基站与云服务器通信连接；云服务器用于存储由传感器节点采集的病虫害监测数据，并对病虫害监测数据进行分析处理，在病虫害监测数据异常时驱动报警器进行报警；无线传感器网络采用的网络结构为：各传感器节点通过分簇路由协议划分成多个簇，其中每个簇包括一个主要簇头和一个次要簇头，主要簇头用于聚合簇内传感器节点采集的病虫害监测数据，次要簇头用于接收主要簇头发送的聚合的病虫害监测数据，并将接收的聚合的病虫害监测数据通过多跳路由的方式发送至基站。

2.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的病虫害监测预警***，其特征是，还包括与云服务器连接的用户终端。

3.根据权利要求2所述的一种基于WSN技术的病虫害监测预警***，其特征是，所述的云服务器还在病虫害监测数据异常时向用户终端发送报警信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的病虫害监测预警***，其特征是，所述云服务器包括处理模块以及与其连接的云存储模块、显示模块、报警驱动模块、数据传输模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的病虫害监测预警***，其特征是，次要簇头将接收的聚合的病虫害监测数据通过多跳路由的方式发送至基站，具体为：

(1)当次要簇头与基站的距离小于或等于设定的最大距离阈值时，次要簇头的病虫害监测数据以单跳通信的形式直接传输至基站；

(2)当次要簇头与基站的距离大于设定的最大距离阈值时，次要簇头在其一跳邻居节点集内选择当前剩余能量最大的作为中继节点，以完成病虫害监测数据的传输。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于WSN技术的病虫害监测预警***，其特征是，所述的各传感器节点通过分簇路由协议划分成多个簇，包括：

(1)病虫害监测区域内的传感器节点接收基站广播的信标数据包，确定自身到基站的距离，并记录接收到基站广播的信标数据包的实际信号强度和时间，所述的信标数据包还包括由基站设定的各传感器节点接收信标数据包的理论信号强度和理论时间；

(2)每一轮的主要簇头选举开始时，每个传感器节点i随机生成一个介于0到1之间的随机数，并设定阈值S_i，若生成的随机数小于阈值S_i，则该传感器节点i成为工作节点，并立刻加入工作节点集；

(3)工作节点向工作节点集中的其余工作节点广播节点信息，其中节点信息包括自身ID号；

(4)当工作节点接收到其余工作节点的节点信息后，若工作节点α位于工作节点β的感知范围内，则工作节点α加入到工作节点β的邻居节点集中；

(5)工作节点计算自身的竞选能力值，并向邻居节点广播，若在设定的时间阈值内收到竞选能力值更大的邻居节点广播的信息，则放弃主要簇头的竞选；工作节点若在设定的时间阈值内未收到竞选能力值更大的邻居节点广播的信息，则当选为主要簇头并向其余传感器节点广播当选信息，未当选主要簇头的工作节点成为成员节点并加入到最近的主要簇头；

(6)睡眠节点接收到所述的广播当选信息后被激活，并加入到最近的主要簇头，分簇完成后，主要簇头在其簇内的成员节点中选择一个成员节点作为次要簇头。