作物氮素無線傳感器網絡監測系統的製作方法
2023-04-24 20:49:01 3
專利名稱：作物氮素無線傳感器網絡監測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及作物氮素含量的監測，特別涉及將無線傳感器網絡技術與作物氮素監 測技術相結合的一種作物氮素無線傳感器網絡監測系統。
背景技術：
傳統的作物氮素監測採用實驗室做實驗的方式得到氮素含量，時效性差，費用昂 貴。近年來採用的葉綠素含量測定儀可以依靠測得的SPAD值推斷氮素含量，但SPAD值與 作物含氮量的關係因作物品種和生育期的不同而有差異，因此限制了該技術的實用性。反射光譜傳感技術利用作物對可見光和近紅外光的吸收和反射得到作物的反射 光譜，通過分析反射光譜得到作物的含氮量。傳統的採用反射光譜技術進行氮素監測的儀 器是單個儀器的小面積氮素信息採集；無線傳感器網絡作為一種全新的信息獲取與處理技 術，已經在軍事、環境、健康、家庭等領域得到越來越廣泛的應用。對於各種長期或短期的監 測應用，傳統的有線測控系統由於布線困難、結構複雜等原因，往往難以勝任。無線傳感器 網絡作為有線測控系統的一個重要擴展與補充，很好地解決了這一問題。
發明內容
為克服現有技術之不足，本發明提供一種作物氮素無線傳感器網絡監測系統，將 反射光譜技術與無線傳感器網絡技術結合，將作物的含氮量監測數據通過無線傳感器網絡 技術組網進行作物氮素信息的實時監測，將監測數據通過USB接口傳到現場的筆記本或者 通過GPRS遠程傳輸到客戶端計算機，進行數據處理從而得到作物氮素信息。運用無線傳感 器網絡技術進行作物氮素信息的實時監測。需要組建大型的無線傳感器網絡，同時要克服 環境條件變化對網絡的影響，保證通信的暢通。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是一種作物氮素無線傳感器網絡監測 系統，其特徵在於設置包括計算機、網關、監測節點和相應的軟體組成無線傳感器網絡監 測系統，計算機包括現場計算機及客戶端計算機，兩者至少設置其一，現場計算機通過USB 接口將命令數據發送給網關、客戶端計算機通過GPRS將命令數據發送給網關，網關將命令 數據解析，得到需要接收命令的監測節點並將命令發送給這些監測節點，這些監測節點接 收到命令後，利用作物對可見光和近紅外光的吸收和反射得到作物的反射光譜，通過分析 反射光譜得到作物的含氮量並通過網關與各監測節點之間使用的ZigBee無線傳感器網絡 通信方式回傳給網關，網關將這些數據重新打包上傳給計算機，計算機應用軟體將作物的 氮素信息處理後實時顯示並保存在資料庫裡面，作為農作物後續處理的依據。所說網關設有電源模塊、通信控制模塊、數據存儲模塊及狀態指示模塊，電源模塊 提供基準電壓，通信控制模塊含USB串口通信模塊、GPRS無線通信模塊和ZigBee無線通信 模塊；數據存儲模塊將監測節點上傳的數據進行存儲；狀態指示模塊顯示電源電壓、通信 控制模塊工作狀態以及數據傳輸狀態；監測節點布置在作物上方，設置在傳感控制盒內，活動固定在機架上；傳感控制盒設有機殼、傳感器單元、通信控制單元、狀態指示單元、電源模塊；傳感器單元接收太陽光和 作物葉片反射光經過光電池轉換得到的電流信號；通信控制單元將傳感器單元得到的電 流信號轉換成電壓信號經過後續系統的傳送和處理得到作物氮素信息；狀態指示單元通 過LED顯示節工作狀態；電源模塊為節點正常工作提供電壓；太陽光從節點盒上頂蓋的三 個孔照射進光管，三個光管將太陽關進行漫射、濾光處理後傳到光電池上，光電池產生光電 流，光電流通過排針流到中間的通信控制單元上進行I/V轉換、電壓放大、AD轉換；太陽光 照到作物葉面上後反射到節點盒下頂面上的三個孔，進入三個與上面對應的光管經過濾光 處理後經過排針流到中間的通信控制板，經過I/V轉換、電壓放大、AD轉換；控制器ZIGBEE 模塊將AD後的數據進行處理得到上下六個光管的電流值，將上下相通波段的光管的電流 值比較，得到反射率值，通過無線傳感器網絡將反射率數據發送給網關，網關發送給上位 機，上位機將數據處理後得到作物氮素信息；所述軟體系統包括客戶端計算機軟體、網關軟體和節點軟體，客戶端計算機軟體 用於人機互動，對數據採集周期、數據上傳方式進行設置，控制整個系統進行工作；網關程 序完成命令轉發，數據收集並上傳給客戶端計算機；節點程序完成傳感器數據採集，上傳、 轉發其它節點的數據，節點採集程序使用周期休眠喚醒採集數據機制。本發明的優點及顯著效果本發明採用無線傳感器網絡技術可以組建大型的氮素 監測網絡進行氮素信息採集。採集面積根據布置節點數目多少可以調節，可以進行遠距離 數據採集，便於使用計算機對採集到的數據遠程實時進行處理分析，為對作物進行實時的 變量施肥提供了支持。無線傳感器網絡監測節點使用電池供電，移動方便，便於部署；採用休眠機制，周 期喚醒採集數據方式實現低功耗監測，能夠長時間進行監測，對作物氮素信息能夠更加有 效的監測，實用性強。
參照圖13和圖14，節點數據採集程序流程圖，先進行初始化，接著嘗試加入網絡， 當加入網絡成功後就使用默認的發送功率將自身的MAC地址主動發送給網關，並等待網關 命令數據，當接收到命令後就將命令數據進行解析，得到採集命令和採集周期信息，如果是 開始採集命令就進行周期性的傳感器數據採集發送給網關，如果是停止採集命令就關閉AD 晶片，停止採集工作。節點程序使用動態發送功率機制。由於選用的無線模塊具有發送功率調節功能， 發送功率越大發送距離越遠，同時消耗的電能越多。考慮到網關一般提供的電池能量都比 較充足，節點提供的電池能量比較少的不對稱情況，為適應不同的節點部署距離和環境溫 溼度等條件變化對網絡數據的收發的影響，網關發送數據採用最大發送功率，節點發送數 據採用功率動態調節機制根據實驗的到在節點與網關之間通信的最小鏈路質量值，設置 一個可以穩定傳輸數據的範圍，當網關從節點上傳的數據包中提取出的鏈路質量值小於這 個範圍時就以最大發送調大發送功率命令給節點，節點收到後就調大發送功率進行後面數 據的上傳；當鏈路質量值大於這個範圍時候就給節點發送調小發送功率命令，節點下次發 送數據時就以更小的發送功率上傳，這樣可以減少一部分能耗。用這種機制能彌補由於環 境溫溼度等對通信的影響，保證數據上傳的穩定可靠，同時也儘量減少功耗。本發明的軟體系統由客戶端計算機軟體、網關軟體和節點軟體組成。客戶端計算 機軟體是人機互動的主要工具，操作人員可以進行監測小區、數據採集周期、數據上傳方式 進行設置，控制整個系統進行工作；網關程序完成命令轉發，數據收集並上傳給客戶端計算 機等工作；節點程序完成傳感器數據採集，上傳或者轉發其它節點的數據等功能。節點採集 程序使用周期休眠喚醒採集數據機制，能夠降低功耗，延長網絡壽命，延長監測時間。工作原理及工作過程本發明選用ZigBee無線收發模塊JN5139和GPRS模塊M22。若干個監測節點與 網關組成一個無線傳感器網絡，監測節點將反應作物氮素信息的電壓值採集後通經過單跳 或者多跳方的式傳給網關，網關將收到的數據打包通過USB接口傳給現場計算機或者通過 GPRS傳給遠程的客戶端計算機，計算機將數據進行處理後得到作物氮素信息，並將氮素信 息實時顯示和保存在資料庫裡面，以便於後續再處理。氮素監測的原理是依據反射光譜傳感技術，利用作物對可見光和近紅外光的吸收 和反射得到作物的反射光譜，通過分析反射光譜得到作物的含氮量。參照圖6、圖7、圖8、圖 9，本發明採用光電池作為光電轉換器件，選用546nm、710nm、810nm三個特徵波長的濾光片 作為太陽光的入射通道，同時在下面有546nm、710nm、810nm對應的反射通道用來接收作物 葉片反射太陽光的光譜。太陽光從節點盒上頂蓋的三個孔照射進光管，三個光管將太陽關 進行漫射、濾光處理後傳到光電池上，光電池產生光電流，光電流通過排針流到中間的通信 控制單元上進行I/V轉換、電壓放大、AD轉換；太陽光照到作物葉面上後反射到節點盒下頂 面上的三個孔，進入三個與上面對應的光管經過濾光處理後經過排針流到中間的通信控制 板，經過I/V轉換、電壓放大、AD轉換；控制器ZIGBEE模塊JN5139將AD後的數據進行處理 得到上下六個光管的電流值，將上下相通波段的光管的電流值做比得到反射率值，模塊通 過無線傳感器網絡將反射率數據發送給網關，網關發送給上位機，上位機將數據處理後就 可以得到作物氮素信息。系統工作步驟
步驟1，安裝網關和監測節點，並將網關和監測節點按照採集要求布置到田間。由 於JN5139室外無阻擋條件下的通信距離最大為1公裡，根據監測面積布置節點數量和位置 保證穩定通信和最大監測面積。根據作物生長高度，調節節點盒的安裝高度，並保證節點盒 的安裝與地面保持水平；步驟2，根據監測具體要求，選擇遠程監測或者現場監測，打開計算機伺服器程序 界面，點擊開始監聽按鈕開始監聽用戶進入；步驟3，開啟網關，等待JN5139模塊建立網絡成功以及GPRS模塊啟動成功的狀態 指示燈閃爍；步驟4，啟動10個監測節點，觀察節點加入網絡指示燈閃爍；步驟5，等待網關加入伺服器狀態提示，當網關加入伺服器，ZigBee區域網組建成 功後設置串口參數、選擇採集節點、設置採集周期和採集模式，並點擊開始採集按鈕開始氮 素信息的周期數據採集、顯示和自動保存。步驟6，將得到的反映氮素信息的反射率數據進行處理，使用經驗回歸方程計算得 到氮素含量。
權利要求
一種作物氮素無線傳感器網絡監測系統，其特徵在於設置包括計算機、網關、監測節點和相應的軟體組成無線傳感器網絡監測系統，計算機包括現場計算機及客戶端計算機，兩者至少設置其一，現場計算機通過USB接口將命令數據發送給網關、客戶端計算機通過GPRS將命令數據發送給網關，網關將命令數據解析，得到需要接收命令的監測節點並將命令發送給這些監測節點，這些監測節點接收到命令後，利用作物對可見光和近紅外光的吸收和反射得到作物的反射光譜，通過分析反射光譜得到作物的含氮量並通過網關與各監測節點之間使用的ZigBee無線傳感器網絡通信方式回傳給網關，網關將這些數據重新打包上傳給計算機，計算機應用軟體將作物的氮素信息處理後實時顯示並保存在資料庫裡面，作為農作物後續處理的依據。
2.根據權利要求1所述作物氮素無線傳感器網絡監測系統，其特徵在於網關設有電源模塊、通信控制模塊、數據存儲模塊及狀態指示模塊，電源模塊提供基準 電壓，通信控制模塊含USB串口通信模塊、GPRS無線通信模塊和ZigBee無線通信模塊；數 據存儲模塊將監測節點上傳的數據進行存儲；狀態指示模塊顯示電源電壓、通信控制模塊 工作狀態以及數據傳輸狀態；監測節點布置在作物上方，設置在傳感控制盒內，活動固定在機架上；傳感控制盒設有 機殼、傳感器單元、通信控制單元、狀態指示單元、電源模塊；傳感器單元接收太陽光和作物 葉片反射光經過光電池轉換得到的電流信號；通信控制單元將傳感器單元得到的電流信號 轉換成電壓信號經過後續系統的傳送和處理得到作物氮素信息；狀態指示單元通過LED顯 示節工作狀態；電源模塊為節點正常工作提供電壓；太陽光從節點盒上頂蓋的三個孔照射 進光管，三個光管將太陽關進行漫射、濾光處理後傳到光電池上，光電池產生光電流，光電 流通過排針流到中間的通信控制單元上進行I/V轉換、電壓放大、AD轉換；太陽光照到作物 葉面上後反射到節點盒下頂面上的三個孔，進入三個與上面對應的光管經過濾光處理後經 過排針流到中間的通信控制板，經過I/V轉換、電壓放大、AD轉換；控制器ZIGBEE模塊將AD 後的數據進行處理得到上下六個光管的電流值，將上下相同波段的光管的電流值比較，得 到反射率值，通過無線傳感器網絡將反射率數據發送給網關，網關發送給上位機，上位機將 數據處理後得到作物氮素信息；所述軟體系統包括客戶端計算機軟體、網關軟體和節點軟體，客戶端計算機軟體用於 人機互動，對數據採集周期、數據上傳方式進行設置，控制整個系統進行工作；網關程序完 成命令轉發，數據收集並上傳給客戶端計算機；節點程序完成傳感器數據採集，上傳、轉發 其它節點的數據，節點採集程序使用周期休眠喚醒採集數據機制。
全文摘要
本發明公開了一種作物氮素監測無線傳感器網絡系統，由客戶端計算機、現場計算機、網關和若干個監測節點構成。現場計算機通過USB接口或者客戶端計算機通過GPRS將控制命令發送給網關；網關將控制命令解析得到客戶端計算機和網關之間的通信方式，並且將控制命令發送給監測節點；監測節點在控制命令下進行作物氮素信息和電池電壓信息的周期採集並上傳給網關；網關將數據通過前面得到的傳輸方式上傳給客戶端計算機；客戶端計算機將數據進行處理得到作物的氮素信息。該系統將無線傳感器網絡技術與作物氮素監測技術相結合，藉助無線傳感器網絡技術的優勢實現作物氮素信息的採集與便利傳輸，為實現精細農業提供了有力保障。
文檔編號G01N21/31GK101975755SQ201010501019
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月9日 優先權日2010年10月9日
發明者倪軍, 宋光明, 宋愛國, 張軍, 徐志剛, 朱豔 申請人:東南大學