專(zhuān)利名稱(chēng)：一種農(nóng)田土壤信息采集系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種農(nóng)田土壤信 息采集系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是近年來(lái)國(guó)際上農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。精準(zhǔn)農(nóng) 業(yè)的含義就是按照田間每一操作單元的具體條件，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整土 壤和作物管理措施，最大限度地優(yōu)化各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，以獲取最高產(chǎn)量 和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)自然資源。 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施與新近發(fā)展的高新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。目前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行， 一是基于傳感器技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)； 二是基于地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、遙感 技術(shù)(RS)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，也就是所謂的基于 "3S"的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。目前，基于管理對(duì)象的不同，釆用的技術(shù)基礎(chǔ)各 異。但無(wú)論其基于的技術(shù)如何，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田土壤信息的準(zhǔn)確獲取，是 實(shí)時(shí)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的本質(zhì)是根據(jù)收集到的土壤作物空間變異信息，在生產(chǎn) 中針對(duì)地塊的具體情況確定出相應(yīng)的農(nóng)業(yè)措施。由于田間氣候、種植 作物的影響，土壤特征實(shí)時(shí)都在變化。準(zhǔn)確了解土壤特征的變化，不 但有利于我們有針對(duì)性地澆灌，施肥，而且對(duì)防止土質(zhì)變壞、農(nóng)業(yè)科 研建模等都有很大的推動(dòng)作用。當(dāng)前，農(nóng)田土壤信息獲取的主要方式有手持設(shè)備的人工獲取方 式、基于GPRS監(jiān)測(cè)方式。利用手持設(shè)備人工打點(diǎn)，來(lái)獲取農(nóng)田土壤 信息是最原始的方式，該方式不但需要耗費(fèi)大量的人力而且不具有實(shí) 時(shí)性，且數(shù)據(jù)的獲取量有限，顯然已不能滿(mǎn)足當(dāng)前對(duì)農(nóng)田土壤信息的
需求。GPRS作為一種先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸快、永遠(yuǎn)在線(xiàn)和信號(hào)覆蓋廣等特點(diǎn)?；贕PRS的土壤監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)將 土壤傳感器和GPRS通信模塊直接相連，利用移動(dòng)通信運(yùn)行商的 GPRS網(wǎng)絡(luò)，將農(nóng)田土壤數(shù)據(jù)發(fā)送到指定數(shù)據(jù)服務(wù)器。該方式的優(yōu)點(diǎn) 在于節(jié)點(diǎn)布置靈活，地域局限性較小。但是，GPRS通信設(shè)備電源消 耗和體積都很大，這樣一方面不可能實(shí)現(xiàn)高密度大范圍的釆樣，另一 方面，對(duì)農(nóng)田原有生態(tài)環(huán)境也會(huì)造成較大的人為影響。基于WSN ( Wireless Sensor Network ，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò))的監(jiān)測(cè) 網(wǎng)絡(luò)，采用大量微型的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)作為土壤感知終端，節(jié)點(diǎn)通過(guò) 相互協(xié)作的方式完成農(nóng)田土壤數(shù)據(jù)釆集。節(jié)點(diǎn)釆用干電池供電，體積 微小，功耗極低，且具有較好的智能處理能力， 一次布設(shè)后，幾乎不 需要維護(hù)，非常適合應(yīng)用于農(nóng)田土壤信息釆集。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明實(shí)施例要解決的問(wèn)題是提供 一種農(nóng)田土壤信息采集系統(tǒng) 和方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的高密度、多參量，大信息量信息獲取。使該系 統(tǒng)田間采集設(shè)備具有微小的體積，超低的功耗和持續(xù)穩(wěn)定的工作能力；使系統(tǒng)對(duì)不同的土壤、作物、釆樣形式等具有一定的通用性；系 統(tǒng)能將田間土壤信息數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定地傳送到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，具 有較好的服務(wù)質(zhì)量和穩(wěn)定性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案提供一種農(nóng)田土壤信 息采集系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括田間傳感節(jié)點(diǎn)，通過(guò)土壤參數(shù)傳感器感 知土壤信息，并經(jīng)其他田間傳感節(jié)點(diǎn)和/或路由節(jié)點(diǎn)將所述土壤信息 傳送到WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)；路由節(jié)點(diǎn)，用于轉(zhuǎn)發(fā)所述田間傳感節(jié)點(diǎn)發(fā) 送的土壤信息；田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)，用于對(duì)所述土壤信息數(shù)據(jù)過(guò) 濾、壓縮、整理，并將所述數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理服務(wù)器；數(shù)據(jù)管理服 務(wù)器，用于接收、存儲(chǔ)和分析所述田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù), 并與WEB訪(fǎng)問(wèn)終端和/或移動(dòng)接入終端進(jìn)行通信。
其中，所述田間傳感節(jié)點(diǎn)包括土壤參數(shù)傳感器，用于釆集土壤 參數(shù)信息，所述土壤參數(shù)信息包括溫度、水分、電導(dǎo)率、表面空氣溫 濕度和光照強(qiáng)度中的一種或幾種；射頻通信單元，用于將采集的土壤 參數(shù)信息以無(wú)線(xiàn)的形式發(fā)送出去。其中，所述田間傳感節(jié)點(diǎn)還包括形式控制單元，用于控制所述 田間傳感節(jié)點(diǎn)的釆樣形式、通信形式和睡眠形式，所述釆樣形式包括 固定周期釆樣、查詢(xún)釆樣和傳感器數(shù)據(jù)觸發(fā)釆樣，所述通信形式包括 釆用flooding路由和釆用指定路徑路由，所述睡眠形式包括無(wú)睡眠、 周期性睡眠和傳感器數(shù)據(jù)喚醒睡眠。其中，所述田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)包括射頻通信單元，用于接 收所述田間傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送的土壤信息；數(shù)據(jù)處理單元，用于對(duì)所述射 頻通信單元接收到的土壤信息進(jìn)行過(guò)濾、壓縮、整理；GPRS網(wǎng)絡(luò)通 信單元，用于將所述數(shù)據(jù)處理單元處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS鏈路發(fā)送 給所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。其中，所述系統(tǒng)還包括GPS定位設(shè)備，用于采集所述田間傳感 節(jié)點(diǎn)的經(jīng)纟爭(zhēng)度坐標(biāo)，并將所述坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送到所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案還提供一種農(nóng)田土壤信息釆集方法，包 括以下步驟田間傳感節(jié)點(diǎn)釆集土壤參數(shù)信息，并經(jīng)其他田間傳感節(jié) 點(diǎn)和/或路由節(jié)點(diǎn)將所述土壤信息傳送到WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)；所述田間 WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)對(duì)所述土壤信息數(shù)據(jù)過(guò)濾、壓縮、整理，并將所述 數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理服務(wù)器；所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器接收所述田間 WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。其中，在所述田間傳感節(jié)點(diǎn)釆集土壤參數(shù)信息之前，還包括設(shè) 置所述田間傳感節(jié)點(diǎn)的釆樣形式、通信形式和睡眠形式，所述采樣形 式包括固定周期釆樣、查詢(xún)釆樣和傳感器數(shù)據(jù)觸發(fā)釆樣，所述通信形 式包括釆用flooding路由和釆用指定路徑路由，所述睡眠形式包括無(wú) 睡眠、周期性睡眠和傳感器數(shù)據(jù)喚醒睡眠。
其中，所述方法還包括GPS定位設(shè)備釆集田間傳感節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并將所述坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。其中，在所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器接收田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送的 數(shù)據(jù)之后，還包括根據(jù)所述數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的田間傳感節(jié)點(diǎn)的經(jīng)綿度坐 標(biāo)，將田地中各點(diǎn)土壤信息的當(dāng)前情況顯示在田塊的遙感圖像上。其中，在所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析之后， 還包括所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器將所述數(shù)據(jù)發(fā)送到WEB訪(fǎng)問(wèn)終端和/ 或移動(dòng)接入終端上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)等同時(shí)引入到農(nóng) 田土壤信息釆集系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田土壤信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取，并 且田間無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)特的硬件的鍵控模式選擇功能，可 以滿(mǎn)足不同科研人員、用戶(hù)等多方面的需要。本發(fā)明實(shí)時(shí)性強(qiáng)，布設(shè) 簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，獲取數(shù)據(jù)量大。


圖l是本發(fā)明系統(tǒng)原理框圖；圖2是本發(fā)明田間傳感節(jié)點(diǎn)電路原理框圖；圖3是本發(fā)明中田間傳感器節(jié)點(diǎn)傳感模塊部分的電路原理圖；圖4是本發(fā)明田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)電路原理框圖；圖5是本發(fā)明傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程圖；圖6是本發(fā)明WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)主程序流程圖；圖7是本發(fā)明數(shù)據(jù)管理軟件數(shù)據(jù)流圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì) 描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的 一 種基于WSN的農(nóng)田土壤信息釆集系統(tǒng)，包括田間傳 感節(jié)點(diǎn)、純路由節(jié)點(diǎn)、田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。傳
感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成田間信息釆集網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn) 通過(guò)土壤參數(shù)傳感器感知土壤信息，并經(jīng)其他傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)以數(shù)據(jù)接力的形式將信息傳送到WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)。WSN-GPRS網(wǎng)關(guān) 對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合、壓縮、處理，然后將數(shù)據(jù)按照GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù) 據(jù)包格式打包，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet發(fā)送給遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。所述田間傳感節(jié)點(diǎn)是指接有土壤溫度、水分、電導(dǎo)率傳感器及土 壤表面空氣溫濕度和光照強(qiáng)度傳感器，具有無(wú)線(xiàn)射頻通信能力的數(shù)據(jù) 釆集模塊。節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分、溫度、電導(dǎo)率，土壤表面空氣 溫濕度、光照強(qiáng)度的同步測(cè)量，并將數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)的形式發(fā)送出去。傳 感節(jié)點(diǎn)主要包括傳感模塊、MCU模塊和RF通信模塊三部分。MCU 是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心，上電復(fù)位后，它首先讀取鍵控模式選擇開(kāi)關(guān)，確 定其工作模式，然后執(zhí)行相應(yīng)的工作模式。所述工作模式是指系統(tǒng)為 提高節(jié)點(diǎn)的通用性而設(shè)計(jì)的可供用戶(hù)選擇的多種工作模式。其主要包 括固定周期釆樣、査詢(xún)采樣和傳感器數(shù)據(jù)觸發(fā)采樣三種釆樣模式； flooding路由和指定路徑路由兩種數(shù)據(jù)通信模式；無(wú)睡眠模式、周期 性睡眠模式或傳感器數(shù)據(jù)喚醒睡眠模式三種節(jié)能模式。傳感器將土壤 當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)量轉(zhuǎn)化為可以為MCU識(shí)別的電信號(hào)，經(jīng)相應(yīng)的隔離 調(diào)理電路后，進(jìn)入MCU， MCU對(duì)電信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，完成 土壤參數(shù)的數(shù)字量化。而后，MCU運(yùn)行其中N-Mesh通信協(xié)議棧， 將土壤參數(shù)打包，經(jīng)RF模塊發(fā)送出去。WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)包括兩部分功能，其433MHz通信部分充當(dāng)田 間無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink節(jié)點(diǎn))，GPRS通信部分完 成GPRS連接的建立和維護(hù)，充當(dāng)GPRS連接伺服器的作用。Sink 節(jié)點(diǎn)是田間無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，它負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、維護(hù)及 數(shù)據(jù)釆集、融合。Sink節(jié)點(diǎn)收到傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包后，首先判斷數(shù)據(jù) 包的有效性，如果無(wú)效則拋棄，如果有效則將其壓入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，并 提取其中的路徑信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前情況做模糊分析，根據(jù)分析結(jié)果
調(diào)度相應(yīng)任務(wù)。所述數(shù)據(jù)包的有效性主要是指數(shù)據(jù)包可否通過(guò)CRC16 校驗(yàn)、數(shù)據(jù)包中傳感器數(shù)據(jù)是否在規(guī)定范圍之內(nèi)、該數(shù)據(jù)包是否被重 復(fù)接收等方面。網(wǎng)關(guān)的GPRS通信部分實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)管理中心 GPRS連接的建立和維護(hù)。在GPRS網(wǎng)絡(luò)異常中斷時(shí)，它能夠重新建立 GPRS鏈路。當(dāng)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)管理中心關(guān)閉狀態(tài)下，自動(dòng)識(shí)別，并自動(dòng)轉(zhuǎn) 入間歇式工作模式，以最大限度節(jié)約電能。所述純路由節(jié)點(diǎn)是指沒(méi)有配備傳感器，僅具有數(shù)據(jù)路由能力的無(wú) 線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)一方面轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，另一方面， 負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞路徑維護(hù)。純路由節(jié)點(diǎn)時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)接 收到網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包后，首先判斷該數(shù)據(jù)包的有效性，如 果無(wú)效，則拋棄；有效，則調(diào)用網(wǎng)絡(luò)路由算法，并結(jié)合當(dāng)前的組網(wǎng)方 式，將數(shù)據(jù)向著SINK節(jié)點(diǎn)做進(jìn)一步發(fā)送。數(shù)據(jù)管理服務(wù)器是一組運(yùn)行有WSN數(shù)據(jù)管理銀件的服務(wù)器。該 服務(wù)器接收來(lái)自田間的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，分析，最后 將信息直觀(guān)顯示。結(jié)合arcGIS軟件，田地中各點(diǎn)土壤信息的當(dāng)前情 況可以直觀(guān)地顯示在田塊的遙感圖像上。該服務(wù)器對(duì)外提供web訪(fǎng)問(wèn) 和移動(dòng)PDA接入端訪(fǎng)問(wèn)，使隨時(shí)隨處了解田塊土壤信息成為可能。如圖1所示，為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、 GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet三層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合GPS定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) 對(duì)田間數(shù)據(jù)土壤的持續(xù)多點(diǎn)采樣。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)在田間的布置時(shí)， 利用差分GPS精確定位，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息和 身份標(biāo)識(shí)碼。田間無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行其中的N-Mesh通信協(xié)議 棧，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)和通信，并最終將數(shù)據(jù)匯聚到WSN-GPRS網(wǎng) 關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)格式化后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，并借助移動(dòng)通信運(yùn) 營(yíng)提供商內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet的指定IP和端口 。相應(yīng)IP 上，運(yùn)行有數(shù)據(jù)管理服務(wù)器組，服務(wù)器通過(guò)其上運(yùn)行的管理軟件將數(shù) 據(jù)接收下來(lái)。
如圖2所示為傳感器節(jié)點(diǎn)電路原理圖。傳感器節(jié)點(diǎn)主要分為主控制器部分，RF通信模塊部分，傳感部分。主控制器采用Atmel公司的 高性能、低功耗8位微處理器芯片ATmegal28L。 ATmegal28L上電復(fù) 位后，便運(yùn)行如圖3所示的軟件程序。首先初始化各硬件功能模塊， 接著讀取撥碼開(kāi)關(guān)鍵值，根據(jù)鍵值，確定工作模式。接下來(lái)，節(jié)點(diǎn)通 過(guò)偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)中Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送的同步超幀來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的同步。同步 完成后，節(jié)點(diǎn)通過(guò)運(yùn)行其內(nèi)部嵌入的小型搡作系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)在多個(gè)任 務(wù)間的切換。值得一提的是，模塊具有高效的能量管理策略，節(jié)點(diǎn)絕 大部分時(shí)間均處于電源電流只有10uA的睡眠中，只有當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送事 件觸發(fā)時(shí)，才會(huì)進(jìn)入發(fā)送模式，并且在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，節(jié)點(diǎn)會(huì)向臨 近的路由節(jié)點(diǎn)或Sink節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)?jiān)俣冗M(jìn)入睡眠，當(dāng)?shù)玫皆试S后，節(jié)點(diǎn)會(huì) 再度進(jìn)入睡眠模式。如圖4所示為傳感節(jié)點(diǎn)的傳感器接口板電路原理圖。該傳感器接 口板可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分、溫度、電導(dǎo)率、地表空氣溫度、濕度、光 照強(qiáng)度六種狀態(tài)量的測(cè)量。其中土壤水分、溫度和電導(dǎo)率是通過(guò) ECH-TE傳感器實(shí)現(xiàn)的。土壤表面空氣濕度、溫度是通過(guò)HTM2500 傳感器實(shí)現(xiàn)的，光照強(qiáng)度是由TSL2561芯片實(shí)現(xiàn)的。三種傳感器都 可在最低2.5V的電壓下工作，非常適合低功耗環(huán)境應(yīng)用。工作溫度 范圍在-55。C 125。C,可以適應(yīng)農(nóng)田惡劣的氣候環(huán)境。另外，該傳感 器板還配備了低功耗的電源控制管理芯片MCP1727,通過(guò)該芯片可 以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器板電源的調(diào)整和管理。在節(jié)點(diǎn)處于睡眠模式下，為最 大可能地降低系統(tǒng)功耗，可以斷開(kāi)所有傳感器電源。如圖5所示為WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)電路原理圖。網(wǎng)關(guān)的外圍模塊主 要有WSN網(wǎng)絡(luò)通信模塊、GPRS數(shù)據(jù)通信單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 AT45DB041,鍵盤(pán)掃描模塊ZLG7289，液晶顯示部分和太陽(yáng)能系統(tǒng) 部分。網(wǎng)關(guān)通過(guò)CC1000無(wú)線(xiàn)通信芯片，以433MHz頻段與田間無(wú)線(xiàn) 傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，通過(guò)BenQ M23模塊實(shí)現(xiàn)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。
并且，設(shè)備會(huì)根據(jù)鍵盤(pán)的設(shè)置和功能選擇情況，將當(dāng)前田間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、數(shù)據(jù)傳輸信息、數(shù)據(jù)壓縮信息、與GPRS連接狀態(tài)等都實(shí)時(shí)地 反映在液晶顯示屏上面，便于用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的了解。另外，系統(tǒng)還對(duì)太 陽(yáng)能系統(tǒng)充放電控制器干預(yù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電量變化。當(dāng)太陽(yáng)能系 統(tǒng)工作異?；蛱?yáng)能電池處于極低電壓下時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò) 將報(bào)警信息提供給數(shù)據(jù)管理中心，或以短息的形式提供到指定的手機(jī) 上。圖6是網(wǎng)關(guān)設(shè)備的主程序流程圖。圖7是本發(fā)明數(shù)據(jù)管理軟件數(shù)據(jù)流圖。田間網(wǎng)絡(luò)釆集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 包，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器上。數(shù)據(jù)解析模塊按照規(guī)定的數(shù) 據(jù)格式對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，從中提取有效數(shù)據(jù)，包括發(fā)送該數(shù)據(jù)包的 節(jié)點(diǎn)號(hào)、傳輸路徑、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，然后將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。此外 節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息和地圖數(shù)據(jù)也被存入數(shù)據(jù)庫(kù)，供用戶(hù)使用。上層的 Web應(yīng)用在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)件，提供了對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析，查詢(xún)和下載的功能；通過(guò)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn) 定位；根據(jù)路徑數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)路徑的實(shí)時(shí)更新；對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠以圖 表等多種方式展示給用戶(hù)；用戶(hù)還能夠通過(guò)節(jié)點(diǎn)控制功能向田間網(wǎng)絡(luò) 中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，遠(yuǎn)程對(duì)它們進(jìn)行控制。此外還提供了數(shù) 據(jù)共享Web Services來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用層面上的數(shù)據(jù)共享。這樣，客戶(hù) 端(PDA訪(fǎng)問(wèn)終端、Web訪(fǎng)問(wèn)終端等)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)就可以訪(fǎng)問(wèn)Web 應(yīng)用，為身處異地的用戶(hù)提供決策管理的信息支持。其他的應(yīng)用程序 通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)共享Web Services的引用實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)應(yīng)用層面上高效、快 捷的數(shù)據(jù)共享。具體應(yīng)用時(shí)，將傳感器節(jié)點(diǎn)按照土壤釆樣的要求，設(shè)置傳感器節(jié) 點(diǎn)的工作模式，將傳感器節(jié)點(diǎn)安置在土壤采樣點(diǎn)上，并用差分GPS 記錄下其經(jīng)煒度坐標(biāo)，保持每個(gè)節(jié)點(diǎn)i00m范圍內(nèi)有兩到三個(gè)節(jié)點(diǎn)既 可。由于作物高度、密度的影響，節(jié)點(diǎn)間通信距離可能會(huì)有縮減，可 以通過(guò)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離或添加純路由節(jié)點(diǎn)來(lái)解決。設(shè)置完成
后，可以在田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)的液晶顯示屏上查看各傳感器節(jié)點(diǎn) 的通信情況和傳感器數(shù)據(jù)情況。確認(rèn)所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都可傳回網(wǎng)關(guān)，并 且傳感器數(shù)據(jù)有效。打開(kāi)遠(yuǎn)端上位機(jī)軟件，查看遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)接收情況。 本系統(tǒng)與現(xiàn)有的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，布設(shè)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高, 獲取數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以 做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種農(nóng)田土壤信息采集系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括田間傳感節(jié)點(diǎn)，通過(guò)土壤參數(shù)傳感器感知土壤信息，并經(jīng)其他田間傳感節(jié)點(diǎn)和/或路由節(jié)點(diǎn)將所述土壤信息傳送到WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)；路由節(jié)點(diǎn)，用于轉(zhuǎn)發(fā)所述田間傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送的土壤信息；田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)，用于對(duì)所述土壤信息數(shù)據(jù)過(guò)濾、壓縮、整理，并將所述數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理服務(wù)器；數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，用于接收、存儲(chǔ)和分析所述田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并與WEB訪(fǎng)問(wèn)終端和/或移動(dòng)接入終端進(jìn)行通信。
2、 如權(quán)利要求1所述的農(nóng)田土壤信息釆集系統(tǒng)，其特征在于， 所述田間傳感節(jié)點(diǎn)包括土壤參數(shù)傳感器，用于采集土壤參數(shù)信息，所述土壤參數(shù)信息包 括溫度、水分、電導(dǎo)率、表面空氣溫濕度和光照強(qiáng)度中的一種或幾種； 射頻通信單元，用于將釆集的土壤參數(shù)信息以無(wú)線(xiàn)的形式發(fā)送出去。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的農(nóng)田土壤信息采集系統(tǒng)，其特征在 于，所述田間傳感節(jié)點(diǎn)還包括形式控制單元，用于控制所述田間傳感節(jié)點(diǎn)的釆樣形式、通信形 式和睡眠形式，所述釆樣形式包括固定周期釆樣、查詢(xún)釆樣和傳感器 數(shù)據(jù)觸發(fā)釆樣，所述通信形式包括釆用flooding路由和釆用指定路徑 路由，所述睡眠形式包括無(wú)睡眠、周期性睡眠和傳感器數(shù)據(jù)喚醒睡眠。
4、 如權(quán)利要求1所述的農(nóng)田土壤信息釆集系統(tǒng)，其特征在于， 所述田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)包括射頻通信單元，用于接收所述田間傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送的土壤信息； 數(shù)據(jù)處理單元，用于對(duì)所述射頻通信單元接收到的土壤信息進(jìn)行過(guò)濾、壓縮、整理；GPRS網(wǎng)絡(luò)通信單元，用于將所述數(shù)據(jù)處理單元處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS鏈路發(fā)送給所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。
5、 如權(quán)利要求1所述的農(nóng)田土壤信息釆集系統(tǒng)，其特征在于， 所述系統(tǒng)還包括GPS定位設(shè)備，用于釆集所述田間傳感節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并將 所述坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送到所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。
6、 一種農(nóng)田土壤信息采集方法，其特征在于，包括以下步驟 田間傳感節(jié)點(diǎn)釆集土壤參數(shù)信息，并經(jīng)其他田間傳感節(jié)點(diǎn)和/或路由節(jié)點(diǎn)將所述土壤信息傳送到WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)；所述田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)對(duì)所述土壤信息數(shù)據(jù)過(guò)濾、壓縮、整 理，并將所述數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理服務(wù)器；所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器接收所述田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù) 據(jù)，并對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。
7、 如權(quán)利要求6所述的農(nóng)田土壤信息釆集方法，其特征在于，在所述田間傳感節(jié)點(diǎn)釆集土壤參數(shù)信息之前，還包括設(shè)置所述田間傳感節(jié)點(diǎn)的釆樣形式、通信形式和睡眠形式，所述 采樣形式包括固定周期釆樣、查詢(xún)釆樣和傳感器數(shù)據(jù)觸發(fā)釆樣，所述 通信形式包括釆用flooding路由和采用指定路徑路由，所述睡眠形式 包括無(wú)睡眠、周期性睡眠和傳感器數(shù)據(jù)喚醒睡眠。
8、 如權(quán)利要求6所述的農(nóng)田土壤信息釆集方法，其特征在于， 所述方法還包括GPS定位設(shè)備釆集田間傳感節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并將所述坐標(biāo)數(shù) 據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。
9、 如權(quán)利要求8所述的農(nóng)田土壤信息釆集方法，其特征在于， 在所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器接收田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)之后， 還包括根據(jù)所述數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的田間傳感節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，將田地中各 點(diǎn)土壤信息的當(dāng)前情況顯示在田塊的遙感圖像上。
10、如權(quán)利要求6所述的農(nóng)田土壤信息釆集方法，其特征在于， 在所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析之后，還包括所述數(shù)據(jù)管理服務(wù)器將所述數(shù)據(jù)發(fā)送到WEB訪(fǎng)問(wèn)終端和/或移 動(dòng)接入終端上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種農(nóng)田土壤信息采集系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括田間傳感節(jié)點(diǎn)，通過(guò)土壤參數(shù)傳感器感知土壤信息，并經(jīng)其他田間傳感節(jié)點(diǎn)和/或路由節(jié)點(diǎn)將所述土壤信息傳送到WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)；路由節(jié)點(diǎn)，用于轉(zhuǎn)發(fā)所述田間傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送的土壤信息；田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)，用于對(duì)所述土壤信息數(shù)據(jù)過(guò)濾、壓縮、整理，并將所述數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理服務(wù)器；數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，用于接收、存儲(chǔ)和分析所述田間WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并與WEB訪(fǎng)問(wèn)終端和/或移動(dòng)接入終端進(jìn)行通信。本發(fā)明還公開(kāi)了一種農(nóng)田土壤信息采集方法。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，布設(shè)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，獲取數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04L29/08GK101399734SQ20081011694
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月21日
發(fā)明者張瑞瑞, 剛 徐, 王彥集, 趙春江, 陳立平, 黃文倩 申請(qǐng)人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心