專利名稱：土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及土壤濕度信息的獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及 土壤濕度信息的獲取方法。
背景技術(shù)：
精準農(nóng)業(yè)是近年來國際上農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點領(lǐng)域之一，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)的有機結(jié)合，精準農(nóng)業(yè)的含義就是按照田間每一操作單元的具體條 件，精細準確地調(diào)整土壤和作物管理措施，最大限度地優(yōu)化各項農(nóng)業(yè)投入，以獲取最高產(chǎn)量 和最大經(jīng)濟效益；同時保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護土地等農(nóng)業(yè)自然資源。目前精準農(nóng)業(yè)主要 從兩個方面進行，一是基于傳感器技術(shù)的精準農(nóng)業(yè)；二是基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)、遙感 技術(shù)(Remote Sensing,RS)和計算機自動控制系統(tǒng)的精準農(nóng)業(yè)，也就是所謂的基于“3S”的 精準農(nóng)業(yè)。目前，基于管理對象的不同，采用的技術(shù)基礎(chǔ)各異，但無論其基于的技術(shù)如何，實 施精準農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵在于實現(xiàn)對農(nóng)田土壤信息的準確獲取，尤其是隨著自動灌溉技術(shù)的推廣 和應(yīng)用，對農(nóng)田土壤濕度的獲取就顯得尤為重要了?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)的土壤濕度采集網(wǎng)絡(luò)，采 用大量微型的無線傳感器節(jié)點作為土壤感知終端，節(jié)點通過相互協(xié)作的方式完成農(nóng)田土壤 數(shù)據(jù)采集。節(jié)點采用干電池供電，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，非常適合應(yīng)用于農(nóng)田土壤信息采集。但是，當(dāng)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 并不能很好地滿足土壤數(shù)據(jù)獲取的需求，主要體現(xiàn)在如下幾個方面(1) 土壤濕度監(jiān)測面 積一般較大，如果基于當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)通信方式，由于數(shù)據(jù)量較大，不能實現(xiàn)很好的數(shù)據(jù)融 合，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時會造成網(wǎng)絡(luò)能耗劇增，甚至?xí)斐删W(wǎng)絡(luò)癱瘓；(2)田間的濕度分布具 有相鄰區(qū)域數(shù)值近似的特點，如果將這些數(shù)據(jù)不進行任何處理，都進行直接傳送，則會造成 大量的冗余數(shù)據(jù)和能量浪費，縮短了網(wǎng)絡(luò)生命；(3)農(nóng)田傳感器節(jié)點一旦布設(shè)完畢，各節(jié)點 位置一般不再移動，如果我們利用傳統(tǒng)的動態(tài)組網(wǎng)及動態(tài)路由方式，不但不利是對網(wǎng)絡(luò)功 能的浪費，而且會增大數(shù)據(jù)傳輸時延；(4)單個節(jié)點的精確土壤濕度信息對灌溉決策并沒 有太大意義；(5)當(dāng)前多少土壤濕度傳感器的測量精度較低，而且很多應(yīng)用需求中并不需 要知道嚴格的土壤濕度信息；對于資源和能量都受約束的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如果一味地傳 輸來自傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)，而不顧及應(yīng)用中這些數(shù)據(jù)是否有用，數(shù)據(jù)是否有意義，實際會造 成傳感器網(wǎng)絡(luò)資源的浪費。下面試舉例來說明問題在棉花田間土壤濕度監(jiān)測中，在棉花幼苗期時，對其土壤濕度我們對田間土壤水 分的監(jiān)測精度需求較低，而在棉花花鈴期和吐絮期，則對監(jiān)測精度要求較高。如果我們不對 此進行利用，就不可能做到傳感器網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)能?？梢约僭O(shè)的是，可以在棉花的苗期，將 梯度劃分區(qū)間劃分的比較大，而在花鈴期和吐絮期將梯度劃分區(qū)間壓縮，直到滿足我們的 需求。這樣就可以就具體的情況設(shè)定具體的監(jiān)測程序，從而達到傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的目的。另 夕卜，在目前的土壤濕度指導(dǎo)灌溉系統(tǒng)中，在查詢土壤濕度信息時，關(guān)心的并不是45. 33%和45. 44%的區(qū)別，而是45%和30%的差別，并以此來得到30%點土壤濕度較小。當(dāng)前土壤濕 度傳感器的感測精度誤差都在4%左右，這就決定了傳輸高精度的土壤濕度信息并沒有太
大意義ο

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是設(shè)計一種基于區(qū)間調(diào)整的土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及土壤濕度 信息的獲取方法，實現(xiàn)對田間土壤濕度信息的有效獲取。( 二 )技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括土壤濕度傳感 設(shè)備、數(shù)據(jù)匯集設(shè)備、數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備及系統(tǒng)管理設(shè)備；所述土壤濕度傳感設(shè)備用于通過與其連接的土壤濕度傳感器獲取其周圍的土壤 濕度值，對土壤濕度值進行數(shù)據(jù)處理，并與網(wǎng)絡(luò)中其他土壤濕度傳感設(shè)備及數(shù)據(jù)匯集設(shè)備 進行無線通信；所述數(shù)據(jù)匯集設(shè)備用于接收來自田間傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給 所述數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備，同時向所述土壤濕度傳感設(shè)備發(fā)送指令信息；所述數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備用于將來自所述數(shù)據(jù)匯集設(shè)備的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)较到y(tǒng)管理 設(shè)備，所述數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備與所述數(shù)據(jù)匯集設(shè)備一起組成網(wǎng)關(guān)；所述系統(tǒng)管理設(shè)備用于對田間傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行接收、存儲和分析，對所述土 壤濕度傳感設(shè)備進行控制管理。此外本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述系統(tǒng)進行土壤濕度信息獲取的方法，包括如下步 驟步驟1 將土壤濕度值劃分為不同的梯度區(qū)間，并將所述不同梯度區(qū)間編號；步驟2 將土壤濕度傳感設(shè)備均勻分布在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，并對土壤濕度傳感設(shè)備 進行編號，然后對土壤濕度傳感設(shè)備建立本地鄰居表；步驟3 對散布在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備進行四叉樹區(qū)域劃分， 并根據(jù)其各自距離網(wǎng)關(guān)距離的大小推選簇首土壤濕度傳感設(shè)備，所述簇首土壤濕度傳感設(shè) 備用于對節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進行融合處理；步驟4:當(dāng)節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備接收到土壤濕度采集任務(wù)后，讀取土壤濕度傳 感器數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)按照步驟1中所述的梯度區(qū)間劃分，然后將土壤濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為所 對應(yīng)的梯度區(qū)間編號值；步驟5 節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備將所述梯度區(qū)間編號值傳遞到簇首土壤濕度傳感 設(shè)備；步驟6 簇首土壤濕度傳感設(shè)備對節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備發(fā)送的梯度區(qū)間編號值 進行篩選整理；步驟7 簇首土壤濕度傳感設(shè)備依然按照四叉樹劃分推選產(chǎn)生簇首，按照上述步 驟5相同方法對數(shù)據(jù)進行融合處理，一直到將數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)匯集設(shè)備為止；步驟8 數(shù)據(jù)匯聚設(shè)備將接收到的數(shù)據(jù)信息進行解析后，通過遠程傳輸設(shè)備發(fā)送 給系統(tǒng)管理設(shè)備，最后由系統(tǒng)管理設(shè)備對數(shù)據(jù)信息進行分析，生成推薦決策。
所述步驟1中，可以根據(jù)具體應(yīng)用需要，通過系統(tǒng)管理設(shè)備對梯度區(qū)間進行調(diào)整；土壤濕度傳感設(shè)備收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送到的更新梯度區(qū)間后，土壤濕度傳感設(shè)備會更新 本地梯度區(qū)間。當(dāng)應(yīng)用中對土壤濕度值精度要求較低時，可將梯度區(qū)間調(diào)大，當(dāng)要求精度較高時， 可將梯度區(qū)間調(diào)小；當(dāng)土壤濕度傳感設(shè)備中所連接土壤濕度傳感器監(jiān)測精度較高時，可將梯度區(qū)間調(diào) 小，當(dāng)監(jiān)測精度較低時，可將梯度區(qū)間調(diào)大。所述步驟2具體包括
步驟2. 1 根據(jù)環(huán)境條件確定土壤濕度傳感設(shè)備的有效無線通信距離r，根據(jù)應(yīng)用 需求確定土壤濕度采樣點最小距離a ；若a>r或a = r，則以(^/2)吟為間距布設(shè)土壤濕度傳感設(shè)備；若a < r，則以a為間距布設(shè)土壤濕度傳感設(shè)備；步驟2. 2 按照土壤濕度傳感設(shè)備所在的行號和列號對土壤濕度傳感設(shè)備進行編 碼；步驟2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的編號設(shè)為“0”，被放置在監(jiān)測區(qū)域的第0行，第0列；步驟2. 4 完成布設(shè)及編號后的土壤濕度傳感設(shè)備存儲自己周圍八個鄰居點作為 本地鄰居表，不夠八個時，表項為空。所述步驟2. 2中采用Morton編碼方式進行編碼操作，具體方法是首先按照節(jié)點 土壤濕度傳感設(shè)備所在的行號和列號將所述行號和列號轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)，然后交叉放入 Morton碼中，生成節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備編號。所述步驟3具體包括對根區(qū)域在水平和垂直方向上四等分，形成四個區(qū)域，然 后對這四個區(qū)域再進行同樣的操作，如此迭代進行，直到整個區(qū)域被劃分成4L個相同的網(wǎng) 格，L為迭代劃分次數(shù)；所述步驟5具體包括步驟5. 1 節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備首先查詢本地鄰居表，選擇向距離簇首土壤濕 度傳感設(shè)備最近的鄰居發(fā)送梯度區(qū)間編號值；步驟5. 2 接收到梯度區(qū)間編號值的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備又會選擇在其本地鄰 居表內(nèi)距離簇首土壤濕度傳感設(shè)備最近的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備為目的土壤濕度傳感設(shè) 備，直到梯度區(qū)間編號值傳輸?shù)酱厥淄寥罎穸葌鞲性O(shè)備。所述步驟5中，當(dāng)土壤濕度傳感設(shè)備的鄰居點距離簇頭的距離大于土壤濕度傳感 設(shè)備距離簇頭的距離時，則土壤濕度傳感設(shè)備選擇逆時針方向距離最近的節(jié)點作為下一目 的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備。所述步驟6中，簇首土壤濕度傳感設(shè)備收集子土壤濕度傳感設(shè)備發(fā)送的土壤數(shù)據(jù) 梯度區(qū)間值，然后按照其土壤濕度傳感設(shè)備編號從小到大進行排序，如果相鄰?fù)寥罎穸葌?感設(shè)備的數(shù)據(jù)相等，則合并，只保留編號最小的土壤濕度傳感設(shè)備數(shù)據(jù)。(三)有益效果基于當(dāng)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不能很好地滿足土壤數(shù)據(jù)獲取的需求的幾個方面 的問題，我們從應(yīng)用實際出發(fā)設(shè)計了一種基于區(qū)間調(diào)整的土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其應(yīng) 用方法。采用該系統(tǒng)及方法后，不但可以有效地擴展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，而且能根據(jù)應(yīng)用需要和外接傳感器感測精度，有效地進行傳輸數(shù)據(jù)的壓縮，避免了不必要的資源浪費，實現(xiàn)了傳感器網(wǎng) 絡(luò)基于應(yīng)用的優(yōu)化。經(jīng)過實際應(yīng)用驗證，本系統(tǒng)及方法可以很好地與灌溉系統(tǒng)配合，達到較 好的自動灌溉效果。


圖1為本發(fā)明技術(shù)方案所提供的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明土壤濕度傳感節(jié)點設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明中土壤濕度傳感節(jié)點設(shè)備中主控芯片電路連接圖；圖4為本發(fā)明土壤濕度傳感節(jié)點設(shè)備中與主控芯片連接的閃存電路連接圖；圖5為本發(fā)明土壤濕度傳感節(jié)點設(shè)備實施例中無線射頻單元電路連接圖；圖6為本發(fā)明中土壤濕度傳感節(jié)點設(shè)備實施例中四線串口單元電路連接圖；圖7為本發(fā)明中土壤濕度傳感節(jié)點設(shè)備在田間放置的節(jié)點編碼規(guī)律圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案， 而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。實施例1本實施例具體描述本發(fā)明所提供的一種土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，圖1為本發(fā)明 所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，所述系統(tǒng)包括土壤濕度傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)匯集設(shè)備、數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備 及系統(tǒng)管理設(shè)備；數(shù)據(jù)匯集設(shè)備在硬件上由一個沒有連接土壤濕度傳感器的土壤濕度傳感 設(shè)備實現(xiàn)。數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備基于BenQ公司的M23G GPRS調(diào)制模塊設(shè)計實現(xiàn)，并與數(shù)據(jù)匯 集設(shè)備通過RS232串行接口交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)匯集設(shè)備和數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備的電源通過太陽能電源系統(tǒng)供給。數(shù)據(jù)匯集設(shè) 備、數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備和太陽能供電系統(tǒng)三部分一起組成田間網(wǎng)關(guān)設(shè)備。所述土壤濕度傳感設(shè)備用于通過其連接的土壤濕度傳感器獲取其周圍的土壤濕 度值，對土壤濕度進行數(shù)據(jù)處理，并與網(wǎng)絡(luò)中其他土壤濕度傳感設(shè)備及數(shù)據(jù)匯集設(shè)備進行 無線通信；如圖2所示，為本發(fā)明土壤濕度傳感設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖，該設(shè)備包括電源TO，為設(shè)備 中的各個部分供電，本實施例中電源U5采用電池或電池組；傳感器U4，用于采集土壤溫濕 度，本實施例中采用ECH20作為土壤濕度傳感器，其精度為士4%;無線射頻單元U2，與網(wǎng)絡(luò) 中其它節(jié)點設(shè)備和管理設(shè)備無線通信；存儲單元U6，用于暫時存儲傳感器接口單元U4所接 收的數(shù)據(jù)；主控單元U1，用來協(xié)調(diào)控制各模塊協(xié)調(diào)工作；如圖3為本發(fā)明實施例中主控芯片電路連接圖，節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備的主控 單元采用主控制器ATmegal28L實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方式如下ATmega128L的23、24管腳連接 7. 3728MHz無源晶振，18、19管腳連接32KHz的無源晶振；46、54管腳配合，并借助穩(wěn)壓芯片 LM4041-1. 2實現(xiàn)電池電壓的測量；27、28、30、48腳與FLASH存儲芯片AT4OTB041連接，如圖 4所示，用作擴展存儲器，存儲節(jié)點設(shè)備的配置參數(shù)或運行過程中的傳感器接口單元傳輸?shù)?數(shù)據(jù)；49、50、51分別連接3個不同色的LED指示燈，如圖4所示，用來實現(xiàn)對節(jié)點設(shè)備工作 狀態(tài)的直觀顯示紅色LED閃爍表示節(jié)點設(shè)備無線射頻單元U2處于接收狀態(tài)，設(shè)備正在接收來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，綠色LED用來對傳感器數(shù)據(jù)的指示，對某些重要傳感器數(shù)據(jù)做判 斷，如可定義當(dāng)測得的土壤溫度值超過10°C時，綠色LED亮，黃色LED閃爍表示節(jié)點設(shè)備的 無線射頻單元U2處于發(fā)送狀態(tài)。為了降低設(shè)備能耗，在實際應(yīng)用時，節(jié)點中指示燈LED — 般處于關(guān)閉狀態(tài)。主控制器的47管腳與序列號生成芯片DS2401P相連，從而方便地實現(xiàn)了 節(jié)點設(shè)備的標識號ID分配。54、55、56、57、20通過上拉電阻與ΙΟ-pin插頭相連，用作外部 JTAG(Joint Test Action Group)接口，用于節(jié)點設(shè)備內(nèi)部編程、程序下載等，實現(xiàn)對主控 制器ATmegal28L內(nèi)部FLASH存儲器、電可擦寫可編程只讀存儲器EEPR0M、熔絲位和加密位 的編程。如圖5所示，為本發(fā)明實施例中無線射頻單元電路連接圖，無線射頻單元U2主要利用型號為CClOOO射頻芯片設(shè)計完成。CC1000工作在433MHz頻帶，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 76. 8kbps，采用外部無源14. 7456MHz晶振驅(qū)動。CC1000通過三線串行接口 PCLK、PDATA, PALE與主控制器的PD4、PD6、PD7管腳連接，實現(xiàn)對CC1000內(nèi)部36個8位配置寄存器的讀 寫，從而完成對CC1000芯片的初始化配置。CC1000通過SPI MIS0、SPI SCK與微處理器的 PB2\PB3、PB1連接實現(xiàn)CC1000與微處理器的數(shù)據(jù)交換；微處理器的61管腳連接CC1000的 RSSI，用來獲取空間信號強度。CHP_0UT與微處理器的45腳連接，用于實現(xiàn)微處理器對PLL LOCK信號的監(jiān)測。如圖6所示，為四線串口單元U3，用于實現(xiàn)節(jié)點設(shè)備與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換?？梢?完成對設(shè)備的參數(shù)數(shù)值和配置，也可以通過將編號為0的土壤濕度傳感設(shè)備的該接口連接 到GPRS Modem實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備功能。所述數(shù)據(jù)匯集設(shè)備用于接收來自田間傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給所述數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備，同時向所述土壤濕度傳感設(shè)備發(fā)送指令信息；所述數(shù)據(jù)匯集設(shè)備 采用Atmegal28L作為控制器芯片，采用CC1000作為節(jié)點設(shè)備間無線通信芯片。所述數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備用于借助于互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星鏈路、移動網(wǎng)絡(luò)等方式將來自所 述數(shù)據(jù)匯集設(shè)備的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)较到y(tǒng)管理設(shè)備，其電路實現(xiàn)基于Ben Q M23G模塊設(shè)計完 成，并與數(shù)據(jù)匯集設(shè)備通過串行數(shù)據(jù)總線交換數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備與所述數(shù)據(jù)匯 集設(shè)備及電源系統(tǒng)一起組成網(wǎng)關(guān)；所述系統(tǒng)管理設(shè)備放置在工作人員便于接觸的地方，用于對田間傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 進行接收、存儲和分析，對所述土壤濕度傳感設(shè)備進行控制管理。實施例2本實施例具體描述本發(fā)明提供的一種利用實施例1所提供的系統(tǒng)進行土壤濕度 信息獲取的方法，所述方法包括如下步驟步驟1 將土壤濕度值劃分為不同的梯度區(qū)間，并將所述不同梯度區(qū)間編號；可以根據(jù)具體應(yīng)用需要，通過系統(tǒng)管理設(shè)備對梯度區(qū)間進行調(diào)整；當(dāng)應(yīng)用中對土壤濕度值精度要求較低時，可將梯度區(qū)間調(diào)大，當(dāng)要求精度較高時， 可將梯度區(qū)間調(diào)??；當(dāng)土壤濕度傳感設(shè)備中所連接土壤濕度傳感器監(jiān)測精度較高時，可將梯度區(qū)間調(diào) 小，當(dāng)監(jiān)測精度較低時，可將梯度區(qū)間調(diào)大。土壤濕度傳感設(shè)備收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送到的更新梯度區(qū)間后，土壤濕度傳感設(shè)備會更新 本地梯度區(qū)間。
步驟2 將土壤濕度傳感設(shè)備均勻分布在被監(jiān)測區(qū)域，并對土壤濕度傳感設(shè)備進 行編號，然后對土壤濕度傳感設(shè)備建立本地鄰居表。此時均勻分布在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)并已編 號的土壤濕度傳感設(shè)備可視為節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備；具體包括步驟2. 1 根據(jù)環(huán)境條件確定土壤濕度傳感設(shè)備的有效無線通信距離r，根據(jù)應(yīng)用需求確定土壤濕度采樣點最小距離a ；^ a > r a = r，則以(^/2)*!·為間距布設(shè)土壤濕度傳感設(shè)備；若a < r，則以a為間距布設(shè)土壤濕度傳感設(shè)備；步驟2. 2 在確定完節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備間布設(shè)距離后，按照如圖7所示的M編 碼(或Morton編碼)方式，對節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備進行編碼，安裝。這種編碼方式首先 按照節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備所在的行號和列號將所述行號和列號轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)，然后交 叉放入Morton碼中，生成節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備編號。采用這種編碼方式的優(yōu)點在于只要 知道節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備編號，即可推算出節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備所在的位置；反之，知 道節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備所在位置也可以推算出節(jié)點的ID號。而且，該編碼方式可以大大 減少傳輸節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備位置信息占用的資源。首先將節(jié)點所在的行號和列號轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)，然后交叉放入Morton碼中。步驟2. 3 網(wǎng)關(guān)土壤濕度傳感設(shè)備的編號設(shè)為“0”，被放置在監(jiān)測區(qū)域的第0行，第 0列；步驟2. 4 完成布設(shè)及編號后的土壤濕度傳感設(shè)備存儲自己周圍八個鄰居點作為 本地鄰居表，不夠八個時，表項為空。具體為，節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備上電初始化完成后，廣播路由建立數(shù)據(jù)包。鄰居節(jié) 點土壤濕度傳感設(shè)備收到路由建立數(shù)據(jù)包后，回復(fù)。節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備收到鄰居節(jié)點 發(fā)送來的數(shù)據(jù)包后，并連同鄰居節(jié)點的射頻信號強度值一起存儲到本地鄰居表中。步驟3 對散布在被監(jiān)測區(qū)域的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備進行四叉樹區(qū)域劃分，并 根據(jù)其各自距離網(wǎng)關(guān)距離的大小推選簇首土壤濕度傳感設(shè)備，所述網(wǎng)關(guān)即為數(shù)據(jù)匯集設(shè)備 及電源系統(tǒng)一起組成的網(wǎng)關(guān)，所述簇首土壤濕度傳感設(shè)備用于對節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備采 集到的數(shù)據(jù)進行融合處理；具體步驟為對根區(qū)域在水平和垂直方向上四等分，形成四個區(qū)域，然后對這四個 區(qū)域再進行同樣的操作，如此迭代進行，直到整個區(qū)域被劃分成4L個相同的網(wǎng)格，L為迭代 劃分次數(shù)。本系統(tǒng)中規(guī)定最小的網(wǎng)格為由四個節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備組成的網(wǎng)格。每個網(wǎng) 格為一個簇，簇內(nèi)按照距離網(wǎng)關(guān)距離的大小推選簇首，即如果χ為節(jié)點與網(wǎng)關(guān)間的間隔列 數(shù)，y為節(jié)點與網(wǎng)關(guān)間的間隔行數(shù)，則通過比較簇內(nèi)四兄弟節(jié)點x+y的和值，選擇較小的為 簇首。從第ι層到第L-I層的簇節(jié)點都按照上述方法推選簇首。步驟4:當(dāng)節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備接收到土壤濕度采集任務(wù)后，讀取土壤濕度傳 感器數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)按照步驟1中所述的梯度區(qū)間劃分，然后將土壤濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為所 對應(yīng)的梯度區(qū)間編號值；例如，考慮到田間持水量和當(dāng)?shù)亟涤炅康纫蛩?，某地的田間土壤水 分含量一般在20%到60%之間，則可將梯度區(qū)間劃分為小于20%，20% -30%，30% -40%， 40% -50%, 50% -60%，60%以上，并將其用1，2，3，4，5，6表示。當(dāng)節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備 讀取到的土壤含水量值為35%時，則該值用“3”表示。并將“3”作為節(jié)點負載數(shù)據(jù)打包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)土壤濕度傳感設(shè)備。步驟5 節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備將所述梯度區(qū)間編號值傳遞到簇首土壤濕度傳感 設(shè)備；具體包括步驟5. 1 節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備首先查詢本地鄰居表，選擇向距離簇首土壤濕 度傳感設(shè)備最近的鄰居發(fā)送梯度區(qū)間編號值；具體為，節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)前，查詢自己與鄰居節(jié)點鏈路的信號 強度，并選擇信號強度較高的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備作為父節(jié)點，向其發(fā)送目的地址為自 己簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)包。從第1層到第L-1層的簇子節(jié)點都按照上述方法傳送數(shù)據(jù)。步驟5. 2 接收到梯度區(qū)間編號值的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備又會選擇在其本地鄰 居表內(nèi)距離簇首土壤濕度傳感設(shè)備最近的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備為目的土壤濕度傳感設(shè) 備，直到梯度區(qū)間編號值傳輸?shù)酱厥淄寥罎穸葌鞲性O(shè)備。其中，關(guān)于“空洞”問題的處理，在所述傳感器網(wǎng)絡(luò)中，很少發(fā)生傳感器網(wǎng)絡(luò)GPSR 通信協(xié)議中的“空洞”問題。但是由于節(jié)點的偶然故障，以及田間作物遮擋等因素，該問題 依然不能完全排除。當(dāng)土壤濕度傳感設(shè)備的鄰居點距離簇頭的距離大于土壤濕度傳感設(shè)備 距離簇頭的距離時，則土壤濕度傳感設(shè)備選擇逆時針方向距離最近的節(jié)點作為下一目的節(jié) 點土壤濕度傳感設(shè)備。步驟6 簇首土壤濕度傳感設(shè)備對節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備發(fā)送的梯度區(qū)間編號值 進行篩選整理；簇首土壤濕度傳感設(shè)備收齊4個子土壤濕度傳感設(shè)備發(fā)送的土壤數(shù)據(jù)梯度區(qū)間 值，然后按照其土壤濕度傳感設(shè)備編號從小到大進行排序，如果相鄰?fù)寥罎穸葌鞲性O(shè)備的 數(shù)據(jù)相等，則合并，只保留編號最小的土壤濕度傳感設(shè)備數(shù)據(jù)；從第1層到第L層的簇頭，都 按照上述方法對數(shù)據(jù)進行融合處理。步驟7 簇首土壤濕度傳感設(shè)備依然按照四叉樹劃分推選產(chǎn)生簇首，按照上述步 驟5相同方法對數(shù)據(jù)進行融合處理，一直到將數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)匯集設(shè)備為止；步驟8 數(shù)據(jù)匯聚設(shè)備接收到節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)信息后，首先按照傳 感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包格式對數(shù)據(jù)進行解析，提取有效數(shù)據(jù)信息，然后將有效數(shù)據(jù)包傳輸給 遠程傳輸設(shè)備，遠程傳輸設(shè)備根據(jù)具體的遠程通信協(xié)議，對數(shù)據(jù)進行打包，并發(fā)送；步驟9 系統(tǒng)管理設(shè)備在接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的數(shù)據(jù)包后，首先解析數(shù)據(jù)包，提取有 效數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)管理設(shè)備會從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，并結(jié)合地理信 息系統(tǒng)軟件進行分析，最終生產(chǎn)推薦決策?；诋?dāng)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不能很好地滿足土壤數(shù)據(jù)獲取的需求的幾個方面 的問題，我們從應(yīng)用實際出發(fā)設(shè)計了一種基于區(qū)間調(diào)整的土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其應(yīng) 用方法。采用該系統(tǒng)及方法后，不但可以有效地擴展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，而且能根據(jù)應(yīng)用需要和外接 傳感器感測精度，有效地進行傳輸數(shù)據(jù)的壓縮，避免了不必要的資源浪費，實現(xiàn)了傳感器網(wǎng) 絡(luò)基于應(yīng)用的優(yōu)化。經(jīng)過實際應(yīng)用驗證，本系統(tǒng)及方法可以很好地與灌溉系統(tǒng)配合，達到較 好的自動灌溉效果。通過本發(fā)明提出的基于區(qū)間調(diào)整的土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和方法，很好地滿足 了農(nóng)業(yè)農(nóng)田土壤濕度信息的獲取需求，具有非常大的實際意義和推廣價值。
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以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，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和變形，這些改進和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括土壤濕度傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)匯集設(shè)備、數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備及系統(tǒng)管理設(shè)備；所述土壤濕度傳感設(shè)備用于通過與其連接的土壤濕度傳感器獲取其周圍的土壤濕度值，對土壤濕度值進行數(shù)據(jù)處理，并與網(wǎng)絡(luò)中其他土壤濕度傳感設(shè)備及數(shù)據(jù)匯集設(shè)備進行無線通信；所述數(shù)據(jù)匯集設(shè)備用于接收來自田間傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給所述數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備，同時向所述土壤濕度傳感設(shè)備發(fā)送指令信息；所述數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備用于將來自所述數(shù)據(jù)匯集設(shè)備的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)较到y(tǒng)管理設(shè)備，所述數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備與所述數(shù)據(jù)匯集設(shè)備一起組成網(wǎng)關(guān)；所述系統(tǒng)管理設(shè)備用于對田間傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行接收、存儲和分析，對所述土壤濕度傳感設(shè)備進行控制管理。
2.一種利用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)進行土壤濕度信息獲取的方法，其特征在于，所述方 法包括如下步驟步驟1 將土壤濕度值劃分為不同的梯度區(qū)間，并將所述不同梯度區(qū)間編號；步驟2 將土壤濕度傳感設(shè)備均勻分布在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，并對土壤濕度傳感設(shè)備進行 編號，然后對土壤濕度傳感設(shè)備建立本地鄰居表；步驟3 對散布在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備進行四叉樹區(qū)域劃分，并根 據(jù)其各自距離網(wǎng)關(guān)距離的大小推選簇首土壤濕度傳感設(shè)備，所述簇首土壤濕度傳感設(shè)備用 于對節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進行融合處理；步驟4:當(dāng)節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備接收到土壤濕度采集任務(wù)后，讀取土壤濕度傳感器 數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)按照步驟1中所述的梯度區(qū)間劃分，然后將土壤濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為所對應(yīng) 的梯度區(qū)間編號值；步驟5 節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備將所述梯度區(qū)間編號值傳遞到簇首土壤濕度傳感設(shè)備；步驟6 簇首土壤濕度傳感設(shè)備對節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備發(fā)送的梯度區(qū)間編號值進行 篩選整理；步驟7 簇首土壤濕度傳感設(shè)備依然按照四叉樹劃分推選產(chǎn)生簇首，按照上述步驟5相 同方法對數(shù)據(jù)進行融合處理，一直到將數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)匯集設(shè)備為止；步驟8 數(shù)據(jù)匯聚設(shè)備將接收到的數(shù)據(jù)信息進行解析后，通過遠程傳輸設(shè)備發(fā)送給系 統(tǒng)管理設(shè)備，最后由系統(tǒng)管理設(shè)備對數(shù)據(jù)信息進行分析，生成推薦決策。
3.如權(quán)利要求2所述的土壤濕度信息獲取的方法，其特征在于，所述步驟1中，可以根 據(jù)具體應(yīng)用需要，通過系統(tǒng)管理設(shè)備對梯度區(qū)間進行調(diào)整；土壤濕度傳感設(shè)備收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送到的更新梯度區(qū)間后，土壤濕度傳感設(shè)備會更新本地 梯度區(qū)間。
4.如權(quán)利要求3所述的土壤濕度信息獲取的方法，其特征在于，當(dāng)應(yīng)用中對土壤濕度 值精度要求較低時，可將梯度區(qū)間調(diào)大，當(dāng)要求精度較高時，可將梯度區(qū)間調(diào)??；當(dāng)土壤濕度傳感設(shè)備中所連接土壤濕度傳感器監(jiān)測精度較高時，可將梯度區(qū)間調(diào)小， 當(dāng)監(jiān)測精度較低時，可將梯度區(qū)間調(diào)大。
5.如權(quán)利要求2所述的土壤濕度信息獲取的方法，其特征在于，所述步驟2具體包括步驟2. 1 根據(jù)環(huán)境條件確定土壤濕度傳感設(shè)備的有效無線通信距離r，根據(jù)應(yīng)用需求 確定土壤濕度采樣點最小距離a ；^f a > r nJc a = r，則以(^/2)*ι·為間距布設(shè)土壤濕度傳感設(shè)備；若a < r，則以a為間距布設(shè)土壤濕度傳感設(shè)備；步驟2. 2 按照土壤濕度傳感設(shè)備所在的行號和列號對土壤濕度傳感設(shè)備進行編碼；步驟2. 3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的編號設(shè)為“0”，被放置在監(jiān)測區(qū)域的第0行，第0列；步驟2. 4 完成布設(shè)及編號后的土壤濕度傳感設(shè)備存儲自己周圍八個鄰居點作為本地 鄰居表，不夠八個時，表項為空。
6.如權(quán)利要求5所述的土壤濕度信息獲取的方法，其特征在于，所述步驟2.2中采用Morton編碼方式進行編碼操作，具體方法是首先按照節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備所在的行號和 列號將所述行號和列號轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)，然后交叉放入Morton碼中，生成節(jié)點土壤濕度傳 感設(shè)備編號。
7.如權(quán)利要求2所述的土壤濕度信息獲取的方法，其特征在于，所述步驟3具體包括 對根區(qū)域在水平和垂直方向上四等分，形成四個區(qū)域，然后對這四個區(qū)域再進行同樣的操 作，如此迭代進行，直到整個區(qū)域被劃分成#個相同的網(wǎng)格，L為迭代劃分次數(shù)；
8.如權(quán)利要求2所述的土壤濕度信息獲取的方法，其特征在于，所述步驟5具體包括步驟5. 1 節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備首先查詢本地鄰居表，選擇向距離簇首土壤濕度傳感設(shè)備最近的鄰居發(fā)送梯度區(qū)間編號值；步驟5. 2 接收到梯度區(qū)間編號值的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備又會選擇在其本地鄰居表內(nèi)距離簇首土壤濕度傳感設(shè)備最近的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備為目的土壤濕度傳感設(shè)備，直 到梯度區(qū)間編號值傳輸?shù)酱厥淄寥罎穸葌鞲性O(shè)備。
9.如權(quán)利要求2所述的土壤濕度信息獲取的方法，其特征在于，所述步驟5中，當(dāng)土壤 濕度傳感設(shè)備的鄰居點距離簇頭的距離大于土壤濕度傳感設(shè)備距離簇頭的距離時，則土壤 濕度傳感設(shè)備選擇逆時針方向距離最近的節(jié)點作為下一目的節(jié)點土壤濕度傳感設(shè)備。
10.如權(quán)利要求2所述的土壤濕度信息獲取的方法，其特征在于，所述步驟6中，簇首土壤濕度傳感設(shè)備收集子土壤濕度傳感設(shè)備發(fā)送的土壤數(shù)據(jù)梯度區(qū)間值，然后按照其土壤濕 度傳感設(shè)備編號從小到大進行排序，如果相鄰?fù)寥罎穸葌鞲性O(shè)備的數(shù)據(jù)相等，則合并，只保 留編號最小的土壤濕度傳感設(shè)備數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明具體涉及一種土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及土壤濕度信息的獲取方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。為實現(xiàn)對田間土壤濕度信息的有效獲取，本發(fā)明提供一種基于區(qū)間調(diào)整的土壤濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括土壤濕度傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)匯集設(shè)備、數(shù)據(jù)遠程傳輸設(shè)備及系統(tǒng)管理設(shè)備；采用該系統(tǒng)及方法后，不但可以有效地擴展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，而且能根據(jù)應(yīng)用需要和外接傳感器感測精度，有效地進行傳輸數(shù)據(jù)的壓縮，避免了不必要的資源浪費，實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)基于應(yīng)用的優(yōu)化。經(jīng)過實際應(yīng)用驗證，本系統(tǒng)及方法可以很好地與灌溉系統(tǒng)配合，達到較好的自動灌溉效果。
文檔編號H04W84/18GK101801006SQ20101003432
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月18日
發(fā)明者張瑞瑞, 趙春江, 陳立平 申請人:北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心