無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統及其監控方法
2023-08-09 19:43:06
專利名稱：無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統及其監控方法
技術領域：
本發明是一種無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統及其監控方法，尤其涉及 基於無線傳感器網絡及GPRS的遠程農田汙染區域立體監控系統及其監控方法，屬於無線 傳感器網絡的農田汙染區域監控系統及其監控方法的改造技術。
背景技術：
現有無線傳感器網絡是由大量的集成有傳感器、數據處理單元和無線通信模塊的 微小節點通過自組織(Ad hoc)的方式構成的網絡。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、 現代網絡與無線通信技術、分布式信息處理技術，具有十分廣闊的應用前景。同時它在軍事 國防、工農業、城市管理、生物醫學、環境監測、搶險救災、反恐、危險區域遠程控制等許多重 要領域都有潛在的實用價值。 在農業方面，農業是國民經濟的基礎，農業的可持續發展將直接影響我國整個社 會經濟的發展。目前，我國農產品與農田環境的安全形勢正日趨嚴峻。隨著工業化、現代化 和社會經濟的快速發展，人口的急劇增長，以及人類對資源不合理利用，工業"三廢"及生活 廢棄物的排放引發的環境汙染，化肥、農藥、生長激素、農用塑料薄膜等化學物質的大量使 用，規模化養殖業的發展帶來的禽畜廢棄物增加，工業廢棄汙染物的農業利用及農田廢棄 物不合理處置等，已造成了農業系統中水體_ 土壤_生物_大氣的直接、複合、交叉與循環 汙染(即有關專家提出的"農業立體汙染")，極大地影響了農業生態系統的穩定及其功能 的發揮，從而嚴重威脅我國農產品的安全生產。構建農田汙染信息系統，提高對農田系統立 體汙染災情的監測與預報能力，非常必要。 傳統的農田汙染信息的採集靠人力對各個採樣點進行人工採集信息再錄入計算 機系統。也有應用GPRS無線網絡進行監控的，但不能對監控區域進行精確的數據採集。
發明內容
本發明的目的在於考慮上述問題而提供一種可遠程地對農田汙染區域進行大範 圍、遠程、實時、精確的監控無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統。 本發明的另一目的在於提供一種方便實用的無線傳感器網絡的農田汙染區域監 控系統的監控方法。 本發明的技術方案是本發明的無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統，包括 有智能傳感器節點單元、網關節點單元、遠程數據中心單元，其中網關節點單元的輸入端與 智能傳感器節點單元的輸出端無線連接，網關節點單元的輸出端與遠程數據中心單元的輸 入端無線連接。 上述智能傳感器節點單元為無線傳感器網絡智能傳感器節點單元，網關節點單元 為無線傳感器網絡嵌入式網關節點單元。 上述智能傳感器節點單元由農田屬性信息傳感器、信息採集控制器、無線通信模 塊組成，信息採集控制器的輸入接口與農田屬性信息傳感器的輸出端連接，信息採集控制
4器的輸出接口與無線通信模塊的輸入端相連，無線通信模塊的輸出端與無線傳感器網絡相 連。 上述信息採集控制器為微處理器MSP430，無線通信模塊為射頻模塊CC2420,微處 理器MSP430的A/D接口、 IIC接口及普通接口與農田屬性信息傳感器的輸出端連接，微處 理器MSP430的SPI接口輸出與射頻模塊CC2420的輸入端相連，射頻模塊CC2420的輸出端 與無線傳感器網絡相連。 上述所述網關節點單元由供電模塊、無線通信模塊、嵌入式控制器、無線系統GPRS 發送模塊，供電模塊為嵌入式網關節點單元提供所用的全部能源，無線通信模塊的接收模 塊與無線傳感器網絡無線連接，無線通信模塊接收模塊的輸出與嵌入式控制器的輸入端相 連，無線系統GPRS發送模塊的輸入端與嵌入式控制器的輸出端相連，無線系統GPRS發送模 塊的輸出與中國移動內網或Internet無線相連。 上述供電模塊為太陽能/風能供電模塊，無線通信模塊為射頻接收模塊CC2420、 嵌入式控制器為微處理器ARM9，無線系統GPRS發送模塊為全球移動通信/通用分組無線系 統GPRS發送模塊，太陽能/風能供電模塊為嵌入式網關節點單元提供所用的全部能源，射 頻接收模塊CC2420與無線傳感器網絡無線連接，射頻接收模塊CC2420的輸出端與微處理 器ARM9的SPI接口相連，GPRS發送模塊與微處理器ARM9的串行輸出口相連，GPRS發送模 塊與中國移動內網或Internet無線相連。 上述遠程數據中心單元由GPRS接收模塊及遠程監控主機組成，GPRS接收模
塊與遠程監控主機的串口相連，遠程數據中心單元的GPRS發送模塊與中國移動內網或
Internet無線相連，遠程數據中心單元上運行數據處理、資料庫等程序。 本發明無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統的監控方法，其特徵在於包括如
下步驟 1)智能傳感器節點單元實現對農區空氣二氧化氮、二氧化碳，土壤總鋅、總鎳、全 鹽、總氮、總磷、氟化物以及灌溉水大腸菌群數、總鋅、總硒、氮、磷、氟化物等農田參數指標 進行採集； 2)智能傳感器節點單元採集到的農田參數指標數據以及智能傳感器節點ID號發 送到附近的網關節點單元，網關節點單元把採集到的數據存儲下來，然後利用GPRS無線通 信把採集到的農田參數指標數據，智能傳感器節點ID號以及網關節點的IP位址發送到遠 程數據中心單元； 3)遠程數據中心單元把網關節點單元的發送過來的數據存儲到SQL2000資料庫， 並把採集到的農田參數指標，智能傳感器節點ID號以及網關節點的IP位址進行處理，在用 戶界面顯示出來； 4)當採集到的農田參數指標大於農田系統標準的安全指標時，系統根據網關的 IP位址以及智能傳感器節點ID號查找到相應的智能傳感器節點；把智能傳感器節點單元 所在的汙染區域位置和汙染指標參數顯示出來。 本發明結合農田汙染區域信息採集的實際情況，提出基於GPRS及無線傳感器網 絡的遠程農田汙染區域監控系統，傳感器節點使用各種傳感器採集農田汙染區域的數據， 通過無線傳感器網絡把數據發送到網關節點，網關節點再通過GPRS與遠程的數據處理中 心進行無線通信，傳感器節點採用了低功耗的處理晶片MSP430，通過使用無線傳感器網絡可以精確地採集各個區域中的數據點的數據，而GPRS無線通信則可以實現遠程的監控，把 GPRS及無線傳感器網絡用於農田汙染區域監控，實現超遠距離、精確的監控。本發明根據無 線傳感器網絡在農業上廣闊的應用前景，建立基於無線傳感器網絡的農田汙染監控系統， 提高農田汙染信息採集的自動化程度及數據採集點的精確度，再組合適合於遠程數據傳輸 技術GPRS，即可遠程地對農田汙染區域進行大範圍、遠程、實時、精確的監控，是一種設計合
理，方便實用的無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統及其監控方法。
圖1是基於無線傳感器網絡的遠程農田汙染區域監控系統的結構圖。
圖2是基於無線傳感器網絡的遠程農田汙染區域監控系統的流程圖。
圖3是農田汙染區域監測平臺結構圖。
圖4是智能傳感節點結構圖。
圖5是網關節點結構圖。
具體實施方式
實施例 本發明基於無線傳感器網絡的遠程農田汙染區域監控系統的結構示意圖如圖1 所示，系統主要由無線傳感器網絡智能傳感器節點單元1、無線傳感器網絡嵌入式網關節點 單元2、遠程數據中心單元3組成。所述的無線傳感器網絡智能傳感器節點單元l由農田 屬性信息傳感器、微處理器MSP430、 CC2420無線通信模塊組成，微處理器MSP430的A/D接 口 、 IIC接口及普通接口接農田屬性信息傳感器的輸出，微處理器MSP430的SPI接口輸出與 CC2420無線通信模塊輸入相連，CC2420無線通信模塊的輸出與無線傳感器網絡相連；無線 傳感器網絡嵌入式網關節點單元2由太陽能/風能供電模塊、CC2420接收模塊、微處理器 ARM9、全球移動通信/通用分組無線系統GPRS發送模塊組成，太陽能/風能供電模塊為嵌 入式網關節點單元2提供所用的全部能源，CC2420接收模塊與無線傳感器網絡無線連接， CC2420接收模塊的輸出與微處理器ARM9的SPI接口相連，GPRS發送模塊與微處理器ARM9 的串行輸出口相連，嵌入式網關節點單元2的GPRS發送模塊與中國移動內網或Internet 無線相連；遠程數據中心單元3由GPRS發送接收模塊及數據處理計算機組成，GPRS發送接 收模塊與數據處理計算機的串口相連，遠程數據中心單元3的GPRS發送模塊與中國移動內 網或Internet無線相連，遠程數據中心單元3上運行數據處理、資料庫等程序。
圖2為基於無線傳感器網絡的遠程農田汙染區域監控系統的流程圖。該系統包括 以下幾個步驟 1、智能傳感節點對農田參數指標進行採集； 2、智能傳感器節點將採集到的數據以及其ID號發送到附近的網關節點； 3、網關節點利用GPRS無線通信把採集到的農田參數指標數據，智能傳感器節點
ID號以及網關節點的IP位址發送到遠程數據中心； 4、遠程數據中心把網關節點的發送過來的數據存儲到SQL2000資料庫，並且對數 據進行處理； 5、判讀採集到的農田參數指標是否大於農田系統的安全指標；如果小於農田系統
6的安全指標，重複步驟l ; 6、如果大於農田系統的安全指標，把智能傳感節點的區域位置和汙染指標參數顯 示出來。 圖3為農田汙染區域監測平臺結構圖，分成監測數據採集系統，遠程數據中心兩 部分。監測數據採集系統由智能傳感器節點和網關節點兩部分組成。監測數據採集系統採 用傳感器網絡技術，數據融合技術，GPRS無線通信技術，利用智能傳感節點實現對農區空氣 二氧化氮、二氧化碳，土壤總鋅、總鎳、全鹽、總氮、總磷、氟化物以及灌溉水大腸菌群數、總 鋅、總硒、氮、磷、氟化物等參數指標的採集。將所有節點採集到數據最終路由到網關節點， 最後由網關節點將全部數據通過GPRS無線通信傳輸方式轉發到遠程數據中心。
遠程數據中心利用信息技術制定或沿用統一的數據標準和元數據標準，統一數據 傳輸方式、傳輸協議和編碼方式，構建基於VS2005. NET的開發、以SQL2000作為數據存取基 礎的數據集成和管理系統，實現數據的接收、存儲和時空分析。 圖4為智能傳感節點結構圖，它主要由低功耗的微處理器MSP430單片機，無線射 頻CC2420模塊，傳感器探測單元以供電單元4部分組成。 其中微處理器電路TI公司的MSP430F微控制器，MSP430F是美國TI公司最新推
出的超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機，是一款性價比極高的單片機；射頻通信模
塊採用無線射頻CC2420模塊。它採用Chipcon公司的SmartRF03技術，使用CMOS工藝生
產，工作電壓低、能耗低、體積小，具有輸出信號強度和收發頻率可編程等特點。該晶片只需
晶體振蕩器及負載電容、輸入/輸出匹配元件和電源去耦電容等很少的外部元件即可正常
工作，可確保短距離通信的有效性和可靠性，其最大收發速率高達250kbps ;傳感器探測單
元能實現對農區空氣二氧化氮、二氧化碳，土壤總鋅、總鎳、全鹽、總氮、總磷、氟化物以及灌
溉水大腸菌群數、總鋅、總硒、氮、磷、氟化物等農田參數指標進行採集。 圖5為網關節點結構圖，它由處理器S3C2410， GPRS模塊，無線射頻CC2420模塊，
嵌入式資料庫等組成。 其中處理器選擇了具有豐富的片上資源的ARM9微處理器S3C2410為核心，該晶片 基於ARM920T內核，採用5級流水線和哈佛結構，採用0. 18 y m CMOS標準單元結構，最大工 作頻率能達到203MHz，不僅性能好、功耗低、集成度高，而且片內資源還十分豐富。
GPRS無線通信通過一個異步串行埠連接GPRS通訊模塊SiemensMC35i，實現 GPRS遠程數據通信自下而上完成驅動層、協議層和應用層的設計。在配置嵌入式Li皿x內 核時選中支持串口設備實現對MC35i模塊的驅動；嵌入式Li皿x內核支持PPP(Point to Point Protocol)協議和TCP/IP協議，在編譯Linux內核時選中支持這些選項；應用層在 網絡連接建立後，具體實現向遠程數據中心轉發數據的功能。同時也可以根據用戶的要求， 選擇簡訊方式或者GPRS方式進行信息的傳遞。 嵌入式資料庫存放在Nand Flash裡，支持雙文件系統格式，將只讀文件系統 cramfs與可讀寫文件系統yaffs的結合，cramfs用來儲存內核和系統文件，yaffs可讀寫 文件系統儲存採集的數據，這樣可以保證系統斷電後數據的完整性。當智能傳感節點向網 關節點上傳數據時，系統對數據進行融合，這樣的話可以減少數據冗餘，提高數據的準確性 和節省能量的損失。
權利要求
一種無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統，其特徵在於包括有智能傳感器節點單元(1)、網關節點單元(2)、遠程數據中心單元(3)，其中網關節點單元(2)的輸入端與智能傳感器節點單元(1)的輸出端無線連接，網關節點單元(2)的輸出端與遠程數據中心單元(3)的輸入端無線連接。
2. 根據權利要求1所述的無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統，其特徵在於上述 智能傳感器節點單元(1)為無線傳感器網絡智能傳感器節點單元，網關節點單元(2)為無 線傳感器網絡嵌入式網關節點單元。
3. 根據權利要求1或2所述的無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統，其特徵在於 上述智能傳感器節點單元(1)由農田屬性信息傳感器、信息採集控制器、無線通信模塊組 成，信息採集控制器的輸入接口與農田屬性信息傳感器的輸出端連接，信息採集控制器的 輸出接口與無線通信模塊的輸入端相連，無線通信模塊的輸出端與無線傳感器網絡相連。
4. 根據權利要求3所述的無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統，其特徵在於上述 信息採集控制器為微處理器MSP430，無線通信模塊為射頻模塊CC2420，微處理器MSP430的 A/D接口、 nC接口及普通接口與農田屬性信息傳感器的輸出端連接，微處理器MSP430的 SPI接口輸出與射頻模塊CC2420的輸入端相連，射頻模塊CC2420的輸出端與無線傳感器網 絡相連。
5. 根據權利要求3所述的無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統，其特徵在於上 述所述網關節點單元(2)由供電模塊、無線通信模塊、嵌入式控制器、無線系統GPRS發送 模塊，供電模塊為嵌入式網關節點單元(2)提供所用的全部能源，無線通信模塊的接收模 塊與無線傳感器網絡無線連接，無線通信模塊接收模塊的輸出與嵌入式控制器的輸入端相 連，無線系統GPRS發送模塊的輸入端與嵌入式控制器的輸出端相連，無線系統GPRS發送模 塊的輸出與中國移動內網或Internet無線相連。
6. 根據權利要求5所述的無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統，其特徵在於上述 供電模塊為太陽能/風能供電模塊，無線通信模塊為射頻接收模塊CC2420、嵌入式控制器 為微處理器ARM9，無線系統GPRS發送模塊為全球移動通信/通用分組無線系統GPRS發送 模塊，太陽能/風能供電模塊為嵌入式網關節點單元(2)提供所用的全部能源，射頻接收模 塊CC2420與無線傳感器網絡無線連接，射頻接收模塊CC2420的輸出端與微處理器ARM9的 SPI接口相連，GPRS發送模塊與微處理器ARM9的串行輸出口相連，GPRS發送模塊與中國移 動內網或Internet無線相連。
7. 根據權利要求1所述的無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統，其特徵在於上述 遠程數據中心單元(3)由GPRS接收模塊及遠程監控主機組成，GPRS接收模塊與遠程監控 主機的串口相連，遠程數據中心單元(3)的GPRS發送模塊與中國移動內網或Internet無 線相連，遠程數據中心單元(3)上運行數據處理、資料庫等程序。
8. —種根據權利要求1所述無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統的監控方法，其 特徵在於包括如下步驟1) 智能傳感器節點單元(1)實現對農區空氣二氧化氮、二氧化碳，土壤總鋅、總鎳、全 鹽、總氮、總磷、氟化物以及灌溉水大腸菌群數、總鋅、總硒、氮、磷、氟化物等農田參數指標 進行採集；2) 智能傳感器節點單元(1)採集到的農田參數指標數據以及智能傳感器節點ID號發送到附近的網關節點單元(2)，網關節點單元(2)把採集到的數據存儲下來，然後利用GPRS 無線通信把採集到的農田參數指標數據，智能傳感器節點ID號以及網關節點的IP位址發 送到遠程數據中心單元(3);3) 遠程數據中心單元(3)把網關節點單元(2)的發送過來的數據存儲到SQL2000數據 庫，並把採集到的農田參數指標，智能傳感器節點ID號以及網關節點的IP位址進行處理， 在用戶界面顯示出來；4) 當採集到的農田參數指標大於農田系統標準的安全指標時，系統根據網關的IP地 址以及智能傳感器節點ID號查找到相應的智能傳感器節點；把智能傳感器節點單元(1)所 在的汙染區域位置和汙染指標參數顯示出來。
全文摘要
本發明是一種無線傳感器網絡的農田汙染區域監控系統及其監控方法。監控系統包括有智能傳感器節點單元(1)、網關節點單元(2)、遠程數據中心單元(3)，其中網關節點單元(2)的輸入端與智能傳感器節點單元(1)的輸出端無線連接，網關節點單元(2)的輸出端與遠程數據中心單元(3)的輸入端無線連接。本發明根據無線傳感器網絡在農業上廣闊的應用前景，建立基於無線傳感器網絡的農田汙染監控系統，提高農田汙染信息採集的自動化程度及數據採集點的精確度，再組合適合於遠程數據傳輸技術GPRS，即可遠程地對農田汙染區域進行大範圍、遠程、實時、精確的監控，本發明能夠實現農田信息監測的自動化、網絡化、智能化，方便用戶管理農田，提高農田防汙染、抗汙染能力，保護生態環境。
文檔編號H04W84/18GK101789167SQ20101001935
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者林觀康, 程良倫 申請人:廣東工業大學