專利名稱：一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，它與植被冠 層結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集有關(guān)，屬于農(nóng)業(yè)與生態(tài)學以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)是研究植被生長發(fā)育狀態(tài)的一個重要指標，也是制約陸地_大 氣作用過程模型的一個重要關(guān)聯(lián)參數(shù)。因此，精確地獲取植被結(jié)構(gòu)參數(shù)是推動陸面模式建 模與模型驗證的迫切需求。本發(fā)明中所述植被結(jié)構(gòu)參數(shù)是指植被冠層葉面積指數(shù)(Leaf Area Index,LAI)與 葉傾角概率密度函數(shù)。植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的獲取方法有直接量測法和間接量測法，其中直接法包括破壞性測 量法和手工原位量測以及落葉法。直接測量結(jié)果精度高，可以作為間接測量方法精度比較 的比對參考。但是測量過程費時耗力并且對測量樣地會造成一定破壞，難以用于大面積長 時間序列的數(shù)值獲取。對植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的間接測量儀器中，是通過測量植被冠層方向間隙率，根據(jù)間隙 率與葉面積指數(shù)和葉傾角分布的關(guān)系來估計這些結(jié)構(gòu)參數(shù)。這些儀器的區(qū)別在于獲取間 隙率的方法不同。目前能夠?qū)χ脖唤Y(jié)構(gòu)參數(shù)間接測量的商業(yè)化儀器有兩種類型，第一種是 通過測量冠層內(nèi)透過的太陽輻射量來估算冠層透過率，如英國的SimScan和澳大利亞的 Demon.其中SimScan是通過在冠層底部部署多達64個光傳感器來一次性獲取對冠層結(jié) 構(gòu)信息的多層次信息，而Demon則是通過驅(qū)動(手持移動或馬達驅(qū)動)傳感器在冠層下部 沿著一定的方向或軌道移動來達到一次獲取多角度信息的目的。另外一種是利用半球成 像技術(shù)來獲取視場內(nèi)的植被與背景信息，通過分類的方法統(tǒng)計各自的像素數(shù)來計算冠層內(nèi) 的方向間隙率，如美國的LAI2000和專利“透光分層疏透度測定方法及攝影裝置”(專利號 01128255. X)以及“一種用于測定透光分層疏透度的裝置”(專利號01250965. 5)，為了獲取 植被冠層多角度圖像，它們采用了寬視場角的魚眼鏡頭來獲取冠層結(jié)構(gòu)信息。以上測量儀器的共同特點是通過在冠層底部一次測量獲取多角度冠層輻射分布信息的形式來實現(xiàn)對冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量。在長時間序列以及大空間范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集 的時候，由于需要在較大的實驗場地上部署多個測量儀器，且需要人員到現(xiàn)場多次測量，因 此，以上所屬儀器和方法需要耗費巨大數(shù)據(jù)采集成本，包括人力成本和儀器購置成本。發(fā)明專利“一種樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置”(公開號CN101413875A)通過 在長1. 2-1. 8m，寬0. 6-1. Om的平面上部署多達14000個硅光敏電池或點耦合元件來獲取樹 木林下的太陽輻射分布，通過在一天中太陽的移動以及太陽輻射的變化來間接估算樹木的 冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)。該專利所述裝置其使用條件受限于在林地環(huán)境下，并且要求林地下有較大 的間隙才能夠放置該設(shè)備。而在低矮植被或連續(xù)分布植被，如農(nóng)作物、草地環(huán)境下則無法使 用。
發(fā)明內(nèi)容
1、目的針對以上設(shè)備與技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，該裝置具有體積小、成本低、數(shù)據(jù)自動獲取與無線傳輸 的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守情況下的長時間、大范圍、多植被類型冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動測量 與傳輸。2、技術(shù)方案為實現(xiàn)上述優(yōu)點，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，包括由分布在研究區(qū)的冠層上與冠層下的測量節(jié)點和路由節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)；由匯聚節(jié)點與控制終端和遠程服務(wù)器連接形成的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跟數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)之間的位置連接關(guān)系是無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)通過在其匯聚節(jié)點上加裝串口模塊，與控制終端上的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)通過 RS232串口線近距離的連接；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過在其匯聚節(jié)點上加裝GPRS模塊，與放置 于實驗室的遠程服務(wù)器上的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)通過GPRS無線通信遠距離的連接。其中，所述測量節(jié)點是由用于測量冠層上下太陽透過輻射的光傳感器、用于臨時 數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)存儲單元、用于提供采集時間的實時時鐘、用于進行無線通信組網(wǎng)和節(jié)點 控制運算的核心芯片以及供電單元組成。它們之間的位置連接關(guān)系是光存儲器，實時時鐘 通過I2C與核心芯片連接，數(shù)據(jù)存儲單元通過SPI與核心芯片連接，所有單元都與供電單元 連接。所有元器件分布在10X4. 5cm2的節(jié)點電路板上。其中，所述光傳感器是一 3 X 3mm2的光電轉(zhuǎn)換器，采用的是環(huán)境光感應器TSL2561 芯片；所述數(shù)據(jù)存儲單元是選用M25P10，IMbit的存儲器；所述實時時鐘是選用PCF8563芯 片計時；所述核心芯片是JENNIC公司提供的高功率的JN5139-Z01-M02R1模塊，它同時具有 無線通信組網(wǎng)與單片機控制運行功能；所述供電單元和節(jié)點所部署的位置有關(guān)，部署于冠 層下的節(jié)點電源為兩節(jié)AA堿性電池，部署在冠層上的節(jié)點以及路由節(jié)點和匯聚節(jié)點電源 為太陽能電池板和備用的兩節(jié)AA堿性電池的組合。所述路由節(jié)點和測量節(jié)點在硬件組成上一樣，只是在驅(qū)動程序上調(diào)用的無線通信 協(xié)議棧不一樣，路由節(jié)點可以實現(xiàn)信號中繼的路由功能。設(shè)置一匯聚節(jié)點用來匯總來自所有測量節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將匯總的數(shù)據(jù)傳輸給控制 終端與遠程服務(wù)器。其中，所述匯聚節(jié)點是在測量節(jié)點的元器件基礎(chǔ)上增加一個GPRS無線通訊模塊 及串口通信模塊，該GPRS模塊選用的是基于移動2. 5G Hz GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺內(nèi)嵌Siemens MC35I/MC39I工業(yè)級模塊的無線調(diào)制解調(diào)器，可以直接與工業(yè)電腦等上位機設(shè)備連接，實 現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)通信；串口通信模塊選用JENNIC支持良好的，低功耗的電平轉(zhuǎn)化芯片SP3232 ； 由匯聚節(jié)點與控制終端和遠程服務(wù)器相連接組成控制裝置即數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)，傳 遞空間位置信息和數(shù)據(jù)，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)無線通訊；所述控制終端及遠程服務(wù) 器均為聯(lián)網(wǎng)計算機。其中，所述測量節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點都寫入了自主編制的驅(qū)動 程序，驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.當打開節(jié)點的電源開關(guān)后，首先進行各功能模塊的初始 化，路由節(jié)點會立刻和其他路由節(jié)點以及匯聚節(jié)點通過多跳自組織的方式建立無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)，然后一直處于工作狀態(tài)，隨時等待測量節(jié)點的接入。測量節(jié)點會搜尋由路由節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)絡(luò)后，測量節(jié)點進入工作狀態(tài)，根據(jù)預先設(shè)定的時間間隔，采集存儲數(shù) 據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。一次采集數(shù)據(jù)完畢，進入休眠狀態(tài)，等待下一個時刻 重啟中斷，如此循環(huán)往復。當一階段數(shù)據(jù)采集工作完成以后，可以在設(shè)定的時間節(jié)點中斷上 述循環(huán)，測量節(jié)點進入長時間休眠狀態(tài)，等待下一次采集工作。其中，所述測量節(jié)點中，位于冠層下的測量節(jié)點用來獲取一天不同太陽高度角的 冠層下 太陽透過輻射，位于冠層上的測量節(jié)點用來獲取研究區(qū)一天中不同太陽高度角的太 陽總輻射，從以上兩個測量數(shù)值即可提取植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)信息。其中，所述測量節(jié)點之間，測量節(jié)點與路由節(jié)點之間，路由節(jié)點與匯聚節(jié)點之間， 以及匯聚節(jié)點與控制終端和遠程服務(wù)器的連接關(guān)系是多個(N<= 16)冠層上的測量節(jié) 點與冠層下的測量節(jié)點通過無線通信的方式與路由節(jié)點相連；路由節(jié)點之間，以及路由節(jié) 點與匯聚節(jié)點通過無線多跳自組織的方式進行連接；匯聚節(jié)點在本質(zhì)上也屬于一個路由節(jié) 點，但是，區(qū)別與普通路由節(jié)點之處是，匯聚節(jié)點具有串口通信模塊和GPRS模塊。匯聚節(jié)點 通過串口和GPRS無線通訊模塊與控制終端或遠程服務(wù)器相連。其中，所述測量節(jié)點與路由節(jié)點之間，路由節(jié)點與匯聚節(jié)點之間，以及匯聚節(jié)點與 控制終端和遠程服務(wù)器的位置關(guān)系是測量節(jié)點在測量區(qū)域隨機分布，每16個測量節(jié)點 附近至少要有一個路由節(jié)點作為信號中繼點，測量節(jié)點與路由節(jié)點之間最遠距離不超過 200m;路由節(jié)點采用無線多跳的方式進行連接，任一路由節(jié)點周圍200m范圍內(nèi)至少要有一 個路由節(jié)點與其相連；匯聚節(jié)點可以放置于任一路由節(jié)點周圍200m范圍內(nèi)；匯聚節(jié)點可以 使用串口線實現(xiàn)匯聚節(jié)點與控制終端的近距離數(shù)據(jù)傳輸，也可以使用匯聚節(jié)點的GPRS模 塊實現(xiàn)匯聚節(jié)點與遠程服務(wù)器的遠距離數(shù)據(jù)傳輸。其中，所述數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)運行于控制終端和遠程服務(wù)器，當數(shù)據(jù)從測 量節(jié)點經(jīng)由路由節(jié)點，匯聚節(jié)點，最終傳送到控制終端和遠程服務(wù)器以后，數(shù)據(jù)處理與節(jié)點 控制系統(tǒng)可以自動的讀取并分析數(shù)據(jù)，從中提取各測量節(jié)點不同太陽高度角下的植被冠層 方向間隙率，利用提取的間隙率反演出該節(jié)點處植被冠層的葉面積指數(shù)與葉傾角分布，并 將結(jié)果可視化顯示。同時，操作人員可以通過數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)向測量節(jié)點發(fā)送命 令，改變測量節(jié)點的參數(shù)設(shè)置，從而達到控制目的。3、優(yōu)點及功效與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過在冠層上部測量太陽總輻射、在冠層 下部測量太陽透過輻射來達到計算冠層透過率的目的，利用一天之中太陽高度角的變化來 實現(xiàn)多角度的冠層間隙率計算。進而，利用多角度間隙率計算冠層的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本發(fā)明利 用太陽高度角的變化取代了傳統(tǒng)的魚眼相機一次獲取多角度圖像的方法，并且，由于本發(fā) 明直接使用了平面光傳感器，可以直接計算冠層間隙率，無需對觀測目標進行成像，減少了 數(shù)據(jù)后處理中圖像分類誤差。本發(fā)明采用無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，減少了單片機的數(shù)據(jù)存 儲容量，更有利于實現(xiàn)在無人值守條件下的大區(qū)域、長時間序列的植被冠層參數(shù)獲取。


圖1為本發(fā)明測量節(jié)點驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的測量節(jié)點結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明的野外部署示意4為本發(fā)明數(shù)據(jù)獲取控制算法結(jié)構(gòu)示意圖
圖中符號說明如下1-測量節(jié)點2-路由節(jié)點3-匯聚節(jié)點4-聯(lián)網(wǎng)計算機5-聯(lián)網(wǎng)計算機 具體實施例方式本發(fā)明一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，包括由布置于研 究區(qū)域冠層上部空間與下部空間的測量節(jié)點1以及路由節(jié)點2組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；由 匯聚節(jié)點3與控制終端及遠程服務(wù)器組成的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)。其中，所述測量節(jié)點1是由用于測量冠層上下太陽透過輻射的光傳感器、用于臨 時數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)存儲單元、用于提供采集時間的實時時鐘、用于進行無線通信組網(wǎng)和節(jié) 點控制運算的核心芯片以及供電單元組成。測量節(jié)點1通過無線通信與路由節(jié)點2相連。 路由節(jié)點2在硬件上與測量節(jié)點1相同，只是在驅(qū)動程序上調(diào)用的協(xié)議棧不同，路由節(jié)點2 使用的協(xié)議?？梢詫崿F(xiàn)對無線信號的中繼，由于有這個特點，路由節(jié)點2之間可以通過多 跳無線通信方式連接并組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。上述無線通信連接均使用JENNIC公司提供 的Jenie通信協(xié)議。此協(xié)議與Zigbee的協(xié)議功能大體相同，區(qū)別在于Jenie的協(xié)議占用空 間更小，耗能更少，其缺點是沒有Zigbee協(xié)議的Mesh網(wǎng)絡(luò)靈活，但是對于相對位置固定，節(jié) 點不會隨時移動，障礙物影響不大的情況下，選用Jenie的協(xié)議更利于我們的網(wǎng)絡(luò)布置和 網(wǎng)絡(luò)利用。為了與外界進行數(shù)據(jù)交流，設(shè)置一匯聚節(jié)點3用來匯總來自所有測量 節(jié)點的數(shù) 據(jù)，并將匯總的數(shù)據(jù)傳輸給控制終端與遠程服務(wù)器。該匯聚節(jié)點3是在路由節(jié)點2基礎(chǔ)上 增加了用于和控制終端及遠程服務(wù)器連接的串口通信模塊和GPRS模塊。其中，光傳感器為一 3X3mm2的光電轉(zhuǎn)換器，采用的是環(huán)境光感應器TSL2561芯 片，此芯片具有光電轉(zhuǎn)換功能，直接通過I2C傳遞回光強的數(shù)字信息。其具體參數(shù)如下 工作電壓 2. 7-3. 6V·工作溫度-30_70°C·信號低電平電壓-0. 5-0. 8V·信號高電平電壓2. 1-3. 6V其中，數(shù)據(jù)存儲單元選用M25P10，IMbit的存儲器，JENNIC在說明中指出對其的良 好支持。其具體參數(shù)如下所示·存儲量 IMbit 工作電壓 2. 7-3. 6V 工作接口 SPI接口·工作最大頻率50MHz其中，所述核心芯片，采用的是JENNIC公司提供的高功率的JN5139_Z01_M02R1模 塊，該模塊同時具有無線通信組網(wǎng)與單片機控制運行功能。其模塊參數(shù)如下所述物理參數(shù)·傳輸距離> Ikm·模塊外觀尺寸18 X 41mm 工作電壓 2. 7-3. 6V·工作頻段 2. 4GHz IEEE802. 15. 4 兼容·休眠電流(帶有喚醒計時器)< 2. SuA
· 19dBm power,帶 SMA、uFI 天線連接器·接收靈敏度-100dBm
· TX 電流< 120mA· RX 電流< 45mA接口參數(shù) 五個 SPI 接口·兩個 UART 串 口·兩個可編程定時計時器·兩線的 I2C 口· 21個通用的IO 口(部分和UART復用)·四路 12-bit，IOOksps 的 ADC 兩路11位的DAC· 一個比較器·內(nèi)部的溫度與電壓傳感器處理器參數(shù)· 16MHz 32 位 RISC CPU· 128KB FLASH、64KB ROM、96KB RAM其中，所述實時時鐘，可以為采集的數(shù)據(jù)提供年，月，日，時，分，秒的計時，選用 PCF8563，此芯片功耗很低，適用于我們采用的電池供電的方式。其具體參數(shù)如下所示·晶振為 32. 768KHz 工作電壓 1. 0-5. 5V·工作電流 0. 25uA·支持 I2C 接 口其中，所述串口通信模塊選用JENNIC支持良好的，低功耗的電平轉(zhuǎn)化芯片 SP3232，其具體特性如下所述·滿足 EIA/TIA-232-F 標準·工作電壓為3. 0-5. 5V 滿載最小數(shù)據(jù)速率120Kbps· IuA的低功耗關(guān)斷模式，接收器(SP3222E)有效 可與RS232共同使用，電源低至+2.7V·增強型ESD規(guī)范士 15kV人體放電模式士 I5IiV IEC1000-4-2 氣隙放電士 8kV IEC1000-4-2 接觸放電其中，所述GPRS模塊選用的是基于移動2. 5G Hz GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺內(nèi)嵌Siemens MC35I/MC39I工業(yè)級模塊的無線調(diào)制解調(diào)器，可以直接與工業(yè)電腦等上位機設(shè)備連接，實現(xiàn) GPRS數(shù)據(jù)通信。其具體特性如下所述·支持EGSM900和GSM1800雙頻支持數(shù)字、語音、短消息和傳真·處于睡眠狀態(tài)時電流為3mA支持三種語言編碼的傳送速率
·標準協(xié)議的認證、采用GSM Phase2/2+標準 工作電壓 3. 3-5. 5V·頻段雙頻 GSM900MHZ 和 DCS1800MHz (Phase 2+) 發(fā)射功率2W(GSM900MHz Class 4) Iff (DCS1800MHz Class 1)· SIM卡連接方式外接·天線由天線連接器連接外部天線·溫度范圍工作溫度-20-+55°C儲存溫度-30-+85°C·工作電流損耗通話模式300mA(典型值.)空閑模式3. 5mA(最大值模式 IO OuA (最大值)·通訊接口 RS232(指令和數(shù)據(jù)的雙向傳送)其中，供電單元的組成和節(jié)點所部署的位置有關(guān)，部署于冠層下的節(jié)點電源為兩 節(jié)AA堿性電池，部署在冠層上的節(jié)點以及路由節(jié)點2和匯聚節(jié)點3電源為太陽能電池板和 備用的兩節(jié)AA堿性電池的組合。其中，所述控制終端及遠程服務(wù)器均為聯(lián)網(wǎng)計算機4、5。本發(fā)明的優(yōu)勢之一是適合獲取大面積的植被結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用路由節(jié)點2之間多跳 連接，可以將測量節(jié)點的布設(shè)范圍擴展到Ikm2或者更大，測量節(jié)點具體布設(shè)如圖2所示，首 先根據(jù)測量區(qū)域的實際情況確定采樣策略，根據(jù)采樣策略確定想要獲取植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的每 一個具體的測點位置，然后在每個這樣的測量點位置的冠層下部空間放置一個測量節(jié)點， 用來測量一天中不同太陽高度角下植被冠層太陽透過輻射Qi (其中i為冠層下測量節(jié)點的 編號)。為了測量冠層上太陽總輻射和天空散射輻射，另外選取2個測點位置，在每個這樣 的測量點位置的冠層上部空間放置一個測量節(jié)點，并在其中一個節(jié)點上面加裝遮陰板，分 別用來測量一天中不同太陽高度角下植被冠層上太陽總輻射Qtl與天空散射輻射隊。在布 設(shè)16個測量節(jié)點后，需要設(shè)置一路由節(jié)點2，布設(shè)路由節(jié)點2的要求是使16個測量節(jié)點落 在該路由節(jié)點2周邊半徑為200m的圓周內(nèi)。16個測量節(jié)點1加一個路由節(jié)點2為一組節(jié) 點，可以在研究區(qū)布置若干組節(jié)點。組與組之間通過路由節(jié)點2連接。在各組節(jié)點布置好以 后，選擇任一路由節(jié)點2周邊200m范圍內(nèi)，設(shè)置一個匯聚節(jié)點3，其本質(zhì)為一個加裝了串口 模塊和GPRS模塊的路由節(jié)點2，匯聚節(jié)點3用來匯總無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各測量節(jié)點的數(shù)據(jù)，并 和外界進行數(shù)據(jù)的交流。每個節(jié)點在相應的位置安置固定好以后打開節(jié)點上的電源開關(guān)， 節(jié)點即開始工作。測量節(jié)點1布設(shè)好后，一次完整的測量過程為，當太陽升起之前1個小時左右，天 空只有散射光的時候，測量節(jié)點開始測量，然后每隔一定時間間隔讀取一個數(shù)值，到太陽落 由測量工作停止，從而完成一次測量。利用太陽升起之前冠層上下的測量可以得到散射光 透過率Td，利用太陽高度角一天中隨時間的推移而發(fā)生的變化，通過分布在冠層上與冠層 下以及冠層上遮陰的測量節(jié)點就得到了一天中不同太陽高度角下冠層下的太陽透過輻射 Qi (i為冠層下節(jié)點編號)，冠層上的太陽總輻射Qtl和天空散射輻射隊。本發(fā)明的適宜測量環(huán)境為晴朗無風的白天，多云或大風的天氣會使得測量結(jié)果充 滿噪聲而影響測量精度，不適合進行測量工作。由于冠層下的測量節(jié)點使用堿性電池供電， 連續(xù)工作時間有限，為了實現(xiàn)對研究區(qū)長時間周期測量，同時也為了提高測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量， 我們進行了以下設(shè)計，一是每個測量節(jié)點1都擁有兩種狀態(tài)模式，即工作模式與休眠模式。工作模式下測量節(jié)點1進行數(shù)據(jù)采集與通信，休眠模式下測量節(jié)點1進入深度睡眠狀態(tài)，電 量消耗降到最低點。測量節(jié)點1在一次采集存儲傳輸完畢后馬上進入休眠模式。這樣測量 節(jié)點1在整個測量周期內(nèi)處于工作模式的時間只占非常小的比例，從而使得測量周期可以 得到延長。二是節(jié)點只有在適合測量的時間段內(nèi)，即晴朗無風的白天進行測量工作，當在一 個測量周期內(nèi)出現(xiàn)了多云或大風的天氣時，可以通過向測量節(jié)點1發(fā)送指令使其進入休眠 模式。匯聚節(jié)點3在白天測量時間段匯總來自各測量節(jié)點的數(shù)據(jù)，在接到傳輸數(shù)據(jù)的指 令后，匯聚節(jié)點3可以將所存儲的數(shù)據(jù)，通過串口模塊和GPRS模塊發(fā)送給控制終端和遠程 服務(wù)器。在控制終端或遠程服務(wù)器上運行的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)接收到匯聚節(jié)點的 數(shù)據(jù)后，開始進行數(shù)據(jù)處理工作，數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)按照圖3所示流程，對各節(jié)點數(shù) 據(jù)進行處理，由于在實際測量過程中會有許多因素對測量結(jié)果造成影響，導致測量結(jié)果出 現(xiàn)一些噪聲，所以需要對測量數(shù)據(jù)先進行濾波處理，又由于測量節(jié)點1為每隔一定時間間 隔獲取一個數(shù)值，所以為了獲取任意太陽高度角下冠層太陽光透過率，需要對測量數(shù)據(jù)進 行插值處理。當數(shù)據(jù)預處理完畢以后，使用如下核心算法實現(xiàn)對植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的反演利用測量節(jié)點1上實時時鐘記錄的時間信息，可將各個數(shù)據(jù)采集時刻換算為對應 的太陽高度角。通過設(shè)置一個時刻閾值，可將測量數(shù)據(jù)分為日出之前數(shù)據(jù)與日出之后數(shù)據(jù)。日出之前數(shù)據(jù)，由冠層上不遮陰的測量節(jié)點獲取的天空散射輻射D'。和冠層下測 量節(jié)點獲取的天空散射透過輻射D'工組成，由式(1)即可計算散射透過率，即Td=D1/DU(1) 日出之后數(shù)據(jù)，由冠層下節(jié)點獲取的某一個時間點下，特定太陽高度角下的冠層 太陽透過輻射Qi (i為冠層下節(jié)點標號)，冠層上節(jié)點獲取的某一個時間點下，特定太陽高度 角下的太陽總輻射Qtl和冠層上遮陰節(jié)點獲取的某一個時間點下，特定太陽高度角下的天空 散射輻射Dtl組成。利用這三個量，可以計算特定太陽高度角下冠層上直射光輻射度，即E0 = Qci-Dtl(2)根據(jù)(1)式得到的散射光透過率Td，可以計算特定太陽高度角下冠層下的太陽透 過輻射度E1 = Qi-D0XTd(3)則在特定太陽高度角(h)下的太陽直射光透過率可以表達為
(4) 公式(4)可以進一步變換為 其中Tq表示總輻射透過率，η為天空光在總輻射中的比例，Td為天空散射光透過率。利用測量節(jié)點1在一天中測得的數(shù)據(jù)，即可得到一天之中η個太陽高度角下冠層 太陽直射光透過率，通過下式

(6)建立起了冠層太陽直射光透過率與植被結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，其中k(0 ,h) = Α(0 ,h)g(0)(7) 綜合(6) (8)，并對公式(6)兩邊分別求對數(shù)，可以得到
( 9)將冠層內(nèi)的葉傾角θ等間隔分為m個區(qū)間，這樣利用獲取的η個太陽高度角的冠 層下太陽光透過率觀測數(shù)據(jù)，在η >m的條件下，通過矩陣線性運算即可得到LAI的最小二 乘解。令
(10)γ(Θ)為植被群體結(jié)構(gòu)參數(shù)，既能表示葉傾角分布，也能表示葉面積指數(shù)變化。由 此，式(9)可以寫為
(11)將葉傾角在O *之間劃分成M個區(qū)間，每個區(qū)間的長度為Δ θ，每個區(qū)間的葉面 積指數(shù)為Li,每個區(qū)間的r( Qi)的平均值為
TAJ
(12) 將式(11)寫成離散形式，則
(13)如在一天中有N次觀測，每次的太陽高度角分別是hj(j = 1,2,…，N)，則式(13) 可以寫成矩陣形式P = AXL(14)其中
為 N 次觀測， L的最小二乘解為
(15)在求解L的過程中，考慮觀測噪聲的影響，為防止出現(xiàn)奇異值，增加一個正則化量 H和優(yōu)化參數(shù)λ，則L = (ΑΤΑ+λ HF1AtP(16)H的取值原則是(i) H 為一方陣(ii)H主對角元素除左上角和右下角為1外，全部為2(iii)與主對角相鄰的元素均為-1(iv)方陣中其余元素為0。
λ為一正常數(shù)，在計算時可以根據(jù)結(jié)果精度進行調(diào)整，直至得到L的最優(yōu)解。LAI求解之后，可以根據(jù)式(12)和(14)求得葉傾角分布函數(shù)g( θ )。將冠層下各節(jié)點的測量到的太陽透過輻射Qi (i為冠層下節(jié)點編號)代入上述核心算法，便得到與冠層下布設(shè)節(jié)點一一對應的葉面積指數(shù)和葉傾角分布。利用各測量節(jié)點 1與匯聚節(jié)點3在空間上的相對位置，結(jié)合匯聚節(jié)點3的空間定位信息，便可計算出各測量 節(jié)點的絕對空間位置，最終將帶有空間信息的反演結(jié)果可視化顯示。所有節(jié)點在布設(shè)之前 都會進行初始化設(shè)置，包括工作模式時間點，休眠模式時間間隔，及無線自組網(wǎng)時間段，測 量人員可以如圖3所示利用數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)，通過控制終端或遠程服務(wù)器向匯聚 節(jié)點3發(fā)送控制命令，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將命令下達到各節(jié)點來修改節(jié)點的初始設(shè)置， 使其滿足測量要求。
權(quán)利要求
一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其特征在于它包括由分布在研究區(qū)的冠層上與冠層下的測量節(jié)點和路由節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；由匯聚節(jié)點與控制終端和遠程服務(wù)器連接形成的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跟數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)之間的位置連接關(guān)系是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過在其匯聚節(jié)點上加裝串口模塊，與控制終端上的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)通過RS232串口線近距離的連接；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過在其匯聚節(jié)點上加裝GPRS模塊，與放置于實驗室的遠程服務(wù)器上的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)通過GPRS無線通信遠距離的連接；所述測量節(jié)點是由用于測量冠層上下太陽透過輻射的光傳感器、用于臨時數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)存儲單元、用于提供采集時間的實時時鐘、用于進行無線通信組網(wǎng)和節(jié)點控制運算的核心芯片以及供電單元組成；它們之間的位置連接關(guān)系是光存儲器，實時時鐘通過I2C與核心芯片連接，數(shù)據(jù)存儲單元通過SPI與核心芯片連接，所有單元都與供電單元連接；該測量節(jié)點的上述所有元器件安裝在節(jié)點電路板上；所述路由節(jié)點在硬件組成上和測量節(jié)點一樣，只是在驅(qū)動程序上調(diào)用的無線通信協(xié)議棧不一樣，路由節(jié)點可以實現(xiàn)信號中繼的路由功能；所述匯聚節(jié)點用來匯總來自所有測量節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將匯總的數(shù)據(jù)傳輸給控制終端與遠程服務(wù)器；該匯聚節(jié)點是在測量節(jié)點的元器件基礎(chǔ)上增加一個GPRS無線通訊模塊及串口通信模塊；由匯聚節(jié)點與控制終端和遠程服務(wù)器相連接組成控制裝置即數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)，傳遞空間位置信息和數(shù)據(jù)，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)無線通訊；所述測量節(jié)點中，位于冠層下的測量節(jié)點用來獲取一天不同太陽高度角的冠層下太陽透過輻射，位于冠層上的測量節(jié)點用來獲取研究區(qū)一天中不同太陽高度角的太陽總輻射，從以上兩個測量數(shù)值即可提取植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)信息；所述測量節(jié)點之間、測量節(jié)點與路由節(jié)點之間、路由節(jié)點與匯聚節(jié)點之間，以及匯聚節(jié)點與控制終端和遠程服務(wù)器的連接關(guān)系是多個即N＜＝16冠層上的測量節(jié)點與冠層下的測量節(jié)點通過無線通信的方式與路由節(jié)點相連；路由節(jié)點之間，以及路由節(jié)點與匯聚節(jié)點通過無線多跳自組織的方式進行連接；匯聚節(jié)點在本質(zhì)上也屬于一個路由節(jié)點，只不過增加了串口通信模塊和GPRS模塊；匯聚節(jié)點通過串口和GPRS無線通訊模塊與控制終端及遠程服務(wù)器相連；所述測量節(jié)點與路由節(jié)點之間，路由節(jié)點與匯聚節(jié)點之間，以及匯聚節(jié)點與控制終端和遠程服務(wù)器的位置關(guān)系是測量節(jié)點在測量區(qū)域隨機分布，每16個測量節(jié)點附近至少要有一個路由節(jié)點作為信號中繼點，測量節(jié)點與路由節(jié)點之間最遠距離不超過200m；路由節(jié)點采用無線多跳的方式進行連接，任一路由節(jié)點周圍200m范圍內(nèi)至少要有一個路由節(jié)點與其相連；匯聚節(jié)點可以放置于任一路由節(jié)點周圍200m范圍內(nèi)；匯聚節(jié)點可以使用串口線實現(xiàn)匯聚節(jié)點與控制終端的短距離數(shù)據(jù)傳輸，也可以使用匯聚節(jié)點的GPRS模塊實現(xiàn)匯聚節(jié)點與遠程服務(wù)器的遠距離數(shù)據(jù)傳輸；所述數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)運行于控制終端和遠程服務(wù)器，當數(shù)據(jù)從測量節(jié)點經(jīng)由路由節(jié)點，匯聚節(jié)點，最終傳送到控制終端和遠程服務(wù)器以后，數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)可以自動的讀取并分析數(shù)據(jù)，從中提取各測量節(jié)點不同太陽高度角下的植被冠層方向間隙率，利用提取的間隙率反演出該節(jié)點處植被冠層的葉面積指數(shù)與葉傾角分布，并將結(jié)果可視化顯示；同時，操作人員可以通過數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)向測量節(jié)點發(fā)送命令，改變測量節(jié)點的參數(shù)設(shè)置，從而達到控制目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該光傳感器為一 3X3mm2的光電轉(zhuǎn)換器，其芯片型號是TSL2561。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該數(shù)據(jù)存儲器為一容量IMbit的M25P10存儲器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該實時時鐘是選用PCF8563芯片計時。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置， 其特征在于該用于進行無線通信組網(wǎng)和節(jié)點控制運算的核心芯片，是JENNIC公司提供的 JN5139-Z01-M02R1 模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該供電單元的組成和節(jié)點所部署的位置有關(guān)，部署于冠層下的節(jié)點電源為兩節(jié) AA堿性電池，部署在冠層上的節(jié)點以及路由節(jié)點和匯聚節(jié)點的電源為太陽能電池板和備用 的兩節(jié)AA堿性電池的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該GPRS模塊為一基于移動2. 5G Hz GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺內(nèi)嵌Siemens MC35I/MC39I 工業(yè)級模塊的無線調(diào)制解調(diào)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該串口通信模塊是JENNIC支持良好的電平轉(zhuǎn)化芯片SP3232。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，其 特征在于該控制終端及遠程服務(wù)器均為聯(lián)網(wǎng)計算機。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置， 其特征在于該測量節(jié)點的所有元器件分布在10X4. 5cm2的節(jié)點電路板上。
全文摘要
一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)測量裝置，它由分布在研究區(qū)的冠層上下測量節(jié)點及路由節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和由匯聚節(jié)點與控制終端遠程服務(wù)器連接成的數(shù)據(jù)處理與節(jié)點控制系統(tǒng)兩部分組成；測量節(jié)點通過采集一天中不同太陽高度角下冠層上下的太陽輻射來獲取植被參數(shù)信息，并通過無線自組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸與定位；匯聚節(jié)點可將各測點的數(shù)據(jù)通過串口或GPRS上傳到控制終端，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將植被結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出來；控制終端通過匯聚節(jié)點向各節(jié)點發(fā)送命令修改參數(shù)設(shè)置。本發(fā)明體積小，功耗低，部署方便，成本低廉，適用于大面積、長時間周期的植被參數(shù)測量，它在農(nóng)業(yè)與生態(tài)學以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域里具有廣泛地實用價值和應用前景。
文檔編號G01D21/00GK101839732SQ20101013469
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者呂耘帙, 姜富斌, 屈永華, 焦思紅, 王錦地, 董健 申請人:北京師范大學;北京星視地信科技有限公司