專利名稱：一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡技術，尤其涉及基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田作物生長信息長期、大范圍實時采集技術，屬于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域。
背景技術：
作物精確管理是精確農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容之一，不僅能保證作物產(chǎn)量和品質，而且能提高肥料利用效率、減少地下水污染，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和生態(tài)效益。精確農(nóng)業(yè)是基于信息采集技術、信息管理與決策技術及變量作業(yè)技術的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理技術系統(tǒng)。其核心是獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素(如土壤結構、地形、植物營養(yǎng)、含水量等)實際存在的空間和時間差異性信息，分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，采取技術可行、經(jīng)濟上有效的調控措施，區(qū)別對待，按需實施，定位調控的“處方農(nóng)業(yè)”。因此，作物精確管理的實施過程包括作物生長信息的獲取、信息的管理與決策和田間變量作業(yè)。其中，作物生長信息的獲取是作物生產(chǎn)精確管理的依據(jù)。然而，目前精確農(nóng)業(yè)實施的最大障礙，仍然是在農(nóng)田信息高密度、高速度、高準確度、低成本獲取技術的研究上。因此如何實時獲取作物生長信息就成為作物精確管理實施過程中首先需要解決的一個關鍵問題。長期以來，作物生長信息的獲取以人工現(xiàn)場取樣、實驗室分析為主，這種傳統(tǒng)的測試手段不僅會對作物產(chǎn)生破壞，影響作物生長，而且在取樣、測定、數(shù)據(jù)分析等方面需要耗費大量的人力、物力，時效性差，不利于推廣應用?；趥鞲衅骷夹g的無損檢測方法具有快速、方便、非破壞性的優(yōu)點，能及時提供作物精確管理所需要的信息，成為當前農(nóng)業(yè)工程中的研究熱點。而目前，基于傳感器技術的單點采樣方式雖具有精細探測農(nóng)田信息的能力，但存在監(jiān)測范圍小、監(jiān)測時間不連續(xù)(非在線)等缺點，無法為田間作物精確管理提供實時信息和決策依據(jù)；基于傳感器技術的有線網(wǎng)絡采樣方式雖然具備大規(guī)模監(jiān)測能力，但需要在農(nóng)田鋪設大量的線路，尤其在采樣點多而分散的情況下，線路鋪設成本將大大提高，而且容易受到地形地貌的限制，從而制約了無損檢測方法的應用。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是針對上述問題，提供一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以無線傳感器網(wǎng)絡形式，實現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境下作物生長信息(氮含量、氮積累量、葉面積指數(shù)、生物量等)大范圍、長時間、連續(xù)地采集。本實用新型為了解決上述問題采用以下技術方案:一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，包括N個作物生長感知節(jié)點、I個匯聚節(jié)點；其中，所述N個作物生長感知節(jié)點按預定規(guī)則離散地部署于農(nóng)田中，構成N個監(jiān)測點，N為大于I的自然數(shù)；N個作物生長感知節(jié)點與匯聚節(jié)點之間通過無線信道建立自組織無線傳感網(wǎng)絡，各作物生長感知節(jié)點通過所述自組織無線傳感網(wǎng)絡將采集的作物生長信息傳輸至匯聚節(jié)點；所述匯聚節(jié)點部署于N個作物生長感知節(jié)點的中心位置，通過所述自組織無線傳感網(wǎng)絡控制作物生長感知節(jié)點的工作狀態(tài)。[0007]作為本實用新型的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述作物生長感知節(jié)點包括多光譜作物生長傳感器、采集器、太陽能電池板、水平支架和支撐桿；其中，所述作物生長傳感器、太陽能電池板固定于水平支架上；所述水平支架、采集器固定于支撐桿上。作為本實用新型的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述采集器包括信號處理單元、微處理器單元、無線通信單元、實時時鐘單元、電源單元、電源控制單元；其中，所述太陽能電池板通過屏蔽電纜線連接電源單元，所述電源單元分別連接電源控制單元、實時時鐘單元、信號處理單元和無線通信單元，所述電源控制單元連接微處理器單元；所述作物生長傳感器通過屏蔽電纜線連接信號處理單元，所述信號處理單元依次與微處理器單元、無線通信單元連接；所述微處理器單元與實時時鐘單元連接，所述實時時鐘單元與電源控制單元連接，當微處理器單元成功接收作物生長傳感器的信號后，通過控制實時時鐘單元的脈沖信號翻轉來控制電源控制單元的通斷，從而實現(xiàn)感知節(jié)點的休眠與喚醒。作為本實用新型的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述信號匯聚節(jié)點包括控制器、太陽能電池板和支撐桿；其中，所述太陽能電池板通過屏蔽電纜連接控制器；所述太陽能電池板、控制器固定于支撐桿上。作為本實用新型的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述控制器包括無線通信單元、微處理器單元、存儲單元、擴展口單元、以及用于供電的電源單元；其中所述無線通信單元依次連接微處理器單元、存儲單元；所述微處理器單元連接擴展口單元。作為本實用新型的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述無線通信單元的頻段為ZigBee-780MHz。本實用新型采用以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比具有以下技術效果:本實用新型的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，可以由若干個作物生長感知節(jié)點自組成無線傳感器網(wǎng)絡形式，實現(xiàn)農(nóng)田開放環(huán)境下作物生長信息大范圍、連續(xù)、實時地米集。

圖1為本實用新型農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)結構示意圖。圖2為本實用新型作物生長感知節(jié)點結構示意圖。圖3為本實用新型信號匯聚節(jié)點結構示意圖。圖4為本實用新型的作物生長感知節(jié)點控制策略流程圖。圖5為本實用新型的作物生長信號匯聚節(jié)點控制策略流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步詳細說明。參照圖1，一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，包括若干個作物生長感知節(jié)點、I個信號匯聚節(jié)點以及感知節(jié)點軟件和匯聚節(jié)點軟件。作物生長感知節(jié)點按一定規(guī)則離散地部署于農(nóng)田中，構成一個監(jiān)測點；作物生長感知節(jié)點軟件驅動各作物生長感知節(jié)點之間通過無線信道自組織無線傳感網(wǎng)絡，并采集、傳輸作物生長信息；信號匯聚節(jié)點部署于作物生長感知節(jié)點中心位置；匯聚節(jié)點軟件發(fā)布無線傳感器網(wǎng)絡管理任務，控制作物生長感知節(jié)點工作狀態(tài)，協(xié)調各監(jiān)測點采集數(shù)據(jù)的傳輸與匯聚。參照圖2，作物生長感知節(jié)點包括多光譜作物生長傳感器、采集器、太陽能電池板、水平支架和支撐桿。作物生長傳感器連接采集器；太陽能電池板連接采集器；作物生長傳感器、太陽能電池板固定于水平支架上；水平支架、采集器固定于支撐桿上。采集器包括信號處理單元、微處理器單元、無線通信單元、實時時鐘單元、電源單元、電源控制單元。信號處理單元與微處理器單元、無線通信單元依次連接；實時時鐘單元前端連接微處理器單元，后端連接電源控制單元；電源控制單元連接微處理器單元；電源單元分別連接電源控制單元、信號處理單元和無線通信單元，無線通信單元采用ZigBee-780MHz頻段。參照圖3，信號匯聚節(jié)點包括控制器、太陽能電池板和支撐桿。太陽能電池板連接控制器；太陽能電池板、控制器固定于支撐桿上?？刂破靼o線通信單元、微處理器單元、存儲單元、擴展口單元、電源單元。無線通信單元依次連接微處理器單元、存儲單元；微處理器單元連接擴展口單元；電源單元與上述各單元連接。參照圖4,感知節(jié)點軟件(控制策略)包括7個部分:微處理器單元初始化；感知節(jié)點加入網(wǎng)絡；感知節(jié)點采集作物信息；數(shù)據(jù)保存；數(shù)據(jù)包發(fā)送信號匯聚節(jié)點；感知節(jié)點休眠；感知節(jié)點喚醒。參照圖5，匯聚節(jié)點軟件(控制策略)包括5個部分:微處理器單元初始化；建立網(wǎng)絡；允許感知節(jié)點入網(wǎng)；感知節(jié)點動態(tài)功率管理；接收數(shù)據(jù)。本實用新型的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)的構建方法，采用如下步驟:步驟1)，根據(jù)農(nóng)田采樣點的土壤養(yǎng)分信息(有機質含量、速效磷含量、速效鉀含量、全氮含量、電導率)、作物生長信息(氮含量、葉面積指數(shù))以及采樣點的位置信息，采用主成分分析法簡化重疊信息，提取主成分；步驟2)，計算步驟I)中主成分的特征向量，分別得出主成分特征向量與土壤養(yǎng)分信息、作物生長信息的數(shù)據(jù)模型，計算主成分得分；步驟3)，在Matlab平臺上對步驟2)中的主成分得分進行模糊C均值聚類分析，計算每個采樣點在各個分區(qū)的隸屬度值，在GIS環(huán)境下，對隸屬度值進行樣條插值，得到各個分區(qū)的模糊隸屬度空間分布圖；步驟4)，在GIS環(huán)境下，將步驟3)中的模糊隸屬度空間分布圖轉換為柵格地圖，提取疊加圖層中每個柵格內(nèi)最大的隸屬度值，根據(jù)隸屬度最大原則，確定每個采樣點隸屬的分區(qū)；步驟5)，將步驟4)確定分區(qū)的柵格圖轉換為矢量圖層，得到整個農(nóng)田的分區(qū)情況；步驟6)，在步驟5)的每個分區(qū)上，部署一個作物生長感知節(jié)點，N個分區(qū)部署N個作物生長感知節(jié)點，構建采集網(wǎng)絡物理層結構；步驟7)，在步驟6)部署N個作物生長感知節(jié)點的中心位置，部署信號匯聚節(jié)點，構建采集網(wǎng)絡網(wǎng)絡層結構；步驟8)，根據(jù)作物生長感知節(jié)點位置信息、信號匯聚節(jié)點位置信息、路由路徑，構建作物生長感知節(jié)點能耗模型，依據(jù)傳輸能耗最小原則，篩選工作感知節(jié)點，構建采集網(wǎng)絡傳輸層基結構；步驟9)，依據(jù)作物生長信息變化特征建立作物生長信息感知節(jié)點采集預測模型；步驟10)，根據(jù)工作感知節(jié)點實時采集數(shù)據(jù)，結合步驟9)預測模型，構建采集網(wǎng)絡傳輸層結構。通過以上描述，本實用新型根據(jù)農(nóng)田信息空間特征差異分布情況部署作物生長感知節(jié)點，實現(xiàn)了農(nóng)田開放環(huán)境下作物生長信息全覆蓋監(jiān)測；同時根據(jù)感知節(jié)點的能耗模型動態(tài)地管理工作節(jié)點，實現(xiàn)了農(nóng)田開放環(huán)境下作物生長信息長時間、低功耗采集。
權利要求1.一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，其特征在于，包括N個作物生長感知節(jié)點、I個匯聚節(jié)點；其中，所述N個作物生長感知節(jié)點按預定規(guī)則離散地部署于農(nóng)田中，構成N個監(jiān)測點，N為大于I的自然數(shù)；N個作物生長感知節(jié)點與匯聚節(jié)點之間通過無線信道建立自組織無線傳感網(wǎng)絡，各作物生長感知節(jié)點通過所述自組織無線傳感網(wǎng)絡將采集的作物生長信息傳輸至匯聚節(jié)點；所述匯聚節(jié)點部署于N個作物生長感知節(jié)點的中心位置，通過所述自組織無線傳感網(wǎng)絡控制作物生長感知節(jié)點的工作狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，其特征在于，所述作物生長感知節(jié)點包括多光譜作物生長傳感器、采集器、太陽能電池板、水平支架和支撐桿；其中，所述作物生長傳感器、太陽能電池板固定于水平支架上；所述水平支架、采集器固定于支撐桿上。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，其特征在于，所述采集器包括信號處理單元、微處理器單元、無線通信單元、實時時鐘單元、電源單元、電源控制單元；其中，所述太陽能電池板通過屏蔽電纜線連接電源單元，所述電源單元分別連接電源控制單元、實時時鐘單元、信號處理單元和無線通信單元，所述電源控制單元連接微處理器單元；所述作物生長傳感器通過屏蔽電纜線連接信號處理單元，所述信號處理單元依次與微處理器單元、無線通信單元連接；所述微處理器單元與實時時鐘單元連接，所述實時時鐘單元與電源控制單元連接，當微處理器單元成功接收作物生長傳感器的信號后，通過控制實時時鐘單元的脈沖信號翻轉來控制電源控制單元的通斷，從而實現(xiàn)感知節(jié)點的休眠與喚醒。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，其特征在于，所述信號匯聚節(jié)點包括控制器、太陽能電池板和支撐桿；其中，所述太陽能電池板通過屏蔽電纜連接控制器；所述太陽能電池板、控制器固定于支撐桿上。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括無線通信單元、微處理器單元、存儲單元、擴展口單元、以及用于供電的電源單元；其中所述無線通信單元依次連接微處理器單元、存儲單元；所述微處理器單元連接擴展口單元。
6.根據(jù)權利要求3或5所述的一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，其特征在于，所述無線通信單元的頻段為ZigBee-780MHz。
專利摘要本實用新型公開了一種農(nóng)田作物生長信息網(wǎng)絡化采集系統(tǒng)，包括N個作物生長感知節(jié)點、1個匯聚節(jié)點；N個感知節(jié)點與匯聚節(jié)點之間通過無線信道建立自組織無線傳感網(wǎng)絡，各感知節(jié)點通過自組織無線傳感網(wǎng)絡將采集的作物生長信息傳輸至匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點部署于N個感知節(jié)點的中心位置，通過自組織無線傳感網(wǎng)絡向各監(jiān)測點發(fā)布無線傳感器網(wǎng)絡管理任務，控制作物生長感知節(jié)點的工作狀態(tài)，協(xié)調各感知節(jié)點采集數(shù)據(jù)的傳輸與匯聚；本實用新型根據(jù)感知節(jié)點的能耗模型動態(tài)地管理工作節(jié)點，實現(xiàn)了農(nóng)田開放環(huán)境下作物生長信息長時間、低功耗采集。
文檔編號H04W84/18GK203039925SQ201220705820
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權日2012年12月19日
發(fā)明者倪軍, 朱艷, 曹衛(wèi)星, 姚霞, 田永超, 龐方榮 申請人:南京農(nóng)業(yè)大學