專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉與傳感器監(jiān)測領(lǐng)域，具體是一種基于無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
我國的農(nóng)業(yè)有著外界環(huán)境的多變性，土地環(huán)境的多樣性，地質(zhì)結(jié) 構(gòu)的復(fù)雜性的特點(diǎn)，普通的儀器設(shè)備很難做到既經(jīng)濟(jì)又準(zhǔn)確的實時監(jiān) 測，同時針對農(nóng)業(yè)種植的地區(qū)范圍比較大這一特點(diǎn)，節(jié)水灌溉也要考 慮到節(jié)省勞動力與節(jié)約能源方面的要求，以切實減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。 當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著其多樣性，不同農(nóng)作物對水分的要求也是不同 的，而現(xiàn)有節(jié)水灌溉大都沒有根據(jù)農(nóng)作物實際需要和種植環(huán)境的實際 情況，顯出兼容性不夠好的特點(diǎn)。目前無線技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用比較廣泛，但大都是具有基站的星 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用，并不是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。發(fā)明內(nèi)容針對以上技術(shù)缺陷，本發(fā)明旨在提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)，能根據(jù)不同的種植物的特點(diǎn)，安排出合理有效的 節(jié)水灌溉方案，同時由于這套設(shè)備可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以與其他信息化設(shè) 備綜合利用，能夠給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供信息化，多元化的實惠服務(wù)。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這種基于無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)，由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、管理中心和灌 溉設(shè)備組成，其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)由中央處理器，存儲器，支持802.15.4協(xié)議的無線通信模塊和傳感板組成，并采用干電池供電，其 中網(wǎng)關(guān)包括中央處理器，存儲器，網(wǎng)關(guān)通過其內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)接入模塊接 入網(wǎng)絡(luò)，并采用太陽能電池供電，網(wǎng)關(guān)與傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信的 方式進(jìn)行連接，其中圖3網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的協(xié)議轉(zhuǎn)化與通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入無線局域網(wǎng)。本發(fā)明還包括上述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的 一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉方法，首先將網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)連接， 把網(wǎng)關(guān)通過無線方式接入Internet或者無線局域網(wǎng)，也可通過有線的 方式布置網(wǎng)線使其接入網(wǎng)絡(luò)；將接入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)均勻放置在農(nóng)作物種 植區(qū)內(nèi)，使網(wǎng)關(guān)控制的灌溉設(shè)備的灌溉范圍覆蓋所有的種植區(qū)域，配 置網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，再給每個網(wǎng)關(guān)進(jìn)行編號，同時記錄下網(wǎng)關(guān)的位置 信息；然后將無線傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)撒放到農(nóng)作物種植區(qū)域內(nèi)，保證每 個傳感器節(jié)點(diǎn)的至少在一個網(wǎng)關(guān)的射頻通信范圍內(nèi)，最后通過上述無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)對灌溉設(shè)備進(jìn)行控制，其特征在于，其控制方法是步驟l，傳感器節(jié)點(diǎn)通過傳感板采集到附近的濕度，水分?jǐn)?shù)據(jù)以 及記錄下接收到的網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率強(qiáng)度，傳感器節(jié)點(diǎn)間通過自組織成 無線多跳網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)傳送到最近的一個網(wǎng)關(guān)；步驟2，網(wǎng)關(guān)根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)送來的數(shù)據(jù)，計算出該傳感器器節(jié) 點(diǎn)相對于該網(wǎng)關(guān)的位置，將此位置信息，網(wǎng)關(guān)編號連同采集的數(shù)據(jù)信 息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給管理中心；
步驟3，管理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，當(dāng)所得數(shù)據(jù)低于設(shè)定 的閾值的時候，管理中心將此數(shù)據(jù)包的位置信息反饋給對應(yīng)編號的網(wǎng)關(guān)；步驟4，網(wǎng)關(guān)根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)包，以確定需要灌溉的區(qū)域位 置，通過調(diào)節(jié)灌溉設(shè)備對該區(qū)域進(jìn)行灌溉。結(jié)合附圖，本發(fā)明詳細(xì)描述如下圖1為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的示意圖，由帶有濕度傳感板的無線傳感器節(jié)點(diǎn)、 網(wǎng)關(guān)、管理中心和灌溉設(shè)備組成，網(wǎng)關(guān)通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)的方式接入局域網(wǎng)或者Internet,網(wǎng)關(guān)與傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方式進(jìn) 行連接。網(wǎng)關(guān)把從傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)傳給管理中心，管理中心通 過對數(shù)據(jù)的處理，計算，分析，得到需要灌溉的區(qū)域的信息，將此信 息反饋給特定的網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)控制其支配的灌溉設(shè)備對指定的區(qū)域進(jìn) 行灌溉，從而實現(xiàn)種植區(qū)域內(nèi)灌溉的閉環(huán)控制。圖2為無線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示意圖，由中央處理器，存儲器，支 持802.15.4協(xié)議無線通信模塊和傳感板組成，傳感器節(jié)點(diǎn)通過傳感板 采集種植區(qū)域內(nèi)的濕度水分信息，送交中央處理器處理，存儲器可以 緩存數(shù)據(jù)和一些簡單的應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)射出去， 傳感器節(jié)點(diǎn)間通過預(yù)先設(shè)定的算法自組織成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，最 終送給網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理。傳感器節(jié)點(diǎn)由普通的干電池供電，由于傳感器 節(jié)點(diǎn)自身的節(jié)能設(shè)計與能量高效路由設(shè)計，能保證較長時間不必更換 電池，同時由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯性，能夠有效的應(yīng)對某傳感器 節(jié)點(diǎn)失效的情況，非常適應(yīng)于農(nóng)業(yè)種植環(huán)境多變的外界環(huán)境對節(jié)點(diǎn)的影響。圖3為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示意圖，網(wǎng)關(guān)有網(wǎng)絡(luò)接入模塊，能夠通過 壬線或著有線的方式接入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)的中央處理器，存儲器比傳感器 節(jié)點(diǎn)的功能強(qiáng)大，能夠?qū)κ占降臄?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳給管理中心。中央 處理器能夠接收管理中心的指令，控制灌溉設(shè)備開關(guān)對指定的區(qū)域進(jìn) 行灌溉。網(wǎng)關(guān)通過太陽能電池供電，能夠有效的節(jié)約能源，降低成本。 協(xié)議棧轉(zhuǎn)化模塊能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入無線局域網(wǎng)。圖4基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方法的流程圖，整個系統(tǒng)運(yùn)行過程如下1-首先布置好與網(wǎng)絡(luò)連接好的網(wǎng)關(guān)，有條件的地區(qū)可以把網(wǎng)關(guān)通過無線方式接入Internet或者無線局域網(wǎng)，不具備條件的通過有線 的方式布置網(wǎng)線以保證網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)；2:將接入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)均勻放置在農(nóng)作物種植區(qū)內(nèi)，以保證網(wǎng)關(guān) 控制的灌溉設(shè)備的灌溉范圍能基本覆蓋所有的種植區(qū)域，配置好網(wǎng)關(guān) 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，給每個網(wǎng)關(guān)進(jìn)行編號，同時記錄下網(wǎng)關(guān)的位置信息；3:將無線傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)撒放到農(nóng)作物種植區(qū)域內(nèi)，保證每個傳感器節(jié)點(diǎn)的至少在一個網(wǎng)關(guān)的射頻通信范圍內(nèi)，同時盡量用最小數(shù) 目的傳感器以保證所有區(qū)域都能被監(jiān)測到(具體的覆蓋范圍要根據(jù)具體的傳感器節(jié)點(diǎn)確定)；4:開始工作時，傳感器節(jié)點(diǎn)通過傳感板采集到的附近的濕度， 水分?jǐn)?shù)據(jù)以及記錄下接收到的網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率強(qiáng)度，傳感器節(jié)點(diǎn)間通 過卦組織成無線多跳網(wǎng)絡(luò)，把這些數(shù)據(jù)傳送到最近的一個網(wǎng)關(guān)；5:網(wǎng)關(guān)根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)送來的數(shù)據(jù)，計算出該傳感器器節(jié)點(diǎn)相 對于該網(wǎng)關(guān)的位置，將此位置信息，網(wǎng)關(guān)編號連同采集的數(shù)據(jù)信息通 過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給管理中心-，6:管理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析，當(dāng)某一數(shù)據(jù)低于設(shè)定的閾 值的時候，管理中心將此數(shù)據(jù)包的位置信息反饋給對應(yīng)編號的網(wǎng)關(guān)。7:網(wǎng)關(guān)根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)包，以確定需要灌溉的區(qū)域位置， 通過調(diào)節(jié)灌溉設(shè)備對該區(qū)域進(jìn)行有效的灌溉。本發(fā)明能根據(jù)不同的種植物的特點(diǎn)，安排出合理有效的節(jié)水灌溉 方案，同時由于這套設(shè)備可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以與其他信息化設(shè)備綜合利 用，能夠給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供信息化，多元化的實惠的服務(wù)。


圖1是本發(fā)明中的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的示 意圖。圖2是本發(fā)明中無線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示意圖。圖3是本發(fā)明中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示意圖。圖4本發(fā)明中的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉方法的流程圖。在附圖中1-管理中心 2-網(wǎng)關(guān) 3-無線傳感器節(jié)點(diǎn) 4-灌溉設(shè)備具體實施方式
網(wǎng)關(guān)通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)的方式接入局域網(wǎng)或者Internet,網(wǎng)
關(guān)與WSNNode傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方式進(jìn)行連接。網(wǎng)關(guān)把從 傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)傳給管理中心，管理中心通過對數(shù)據(jù)的處理， 計算，分析，得到需要灌溉的區(qū)域的信息，將此信息反饋給特走的網(wǎng) 關(guān)，由網(wǎng)關(guān)控制其支配的灌溉設(shè)備對指定的區(qū)域進(jìn)行灌溉，從而實現(xiàn) 種植區(qū)域內(nèi)灌溉的閉環(huán)控制。其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示意圖，由中央處理器，存儲器，支持 802.15.4協(xié)議無線通信模塊和傳感板組成，其中處理器采用低功耗微 處理器芯片ATmegal28，射頻部分采用XS110芯片，擴(kuò)展存儲采用 512KB的低功耗FLASH存儲器，供電模塊采用高質(zhì)量的紐扣電池供 電。傳感器節(jié)點(diǎn)通過傳感板采集種植區(qū)域內(nèi)的濕度水分信息，送交中 央處理器處理，存儲器可以緩存數(shù)據(jù)和一些簡單的應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)通 過無線通信模塊發(fā)射出去，傳感器節(jié)點(diǎn)間通過預(yù)先設(shè)定的算法自組織 成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，最終送給網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理。傳感器節(jié)點(diǎn)由普通 的干電池供電，由于傳感器節(jié)點(diǎn)自身的節(jié)能設(shè)計與能量高效路由設(shè) 計，能保證較長時間不必更換電池，同時由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯 性，能夠有效的應(yīng)對某傳感器節(jié)點(diǎn)失效的情況，非常適應(yīng)于農(nóng)業(yè)種植 環(huán)境多變的外界環(huán)境對節(jié)點(diǎn)的影響。其中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示意圖，網(wǎng)關(guān)有網(wǎng)絡(luò)接入模塊，能夠通過無線 或者有線的方式接入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)的中央處理器，存儲器比傳感器節(jié)點(diǎn) 的功能強(qiáng)大，能夠?qū)κ占降臄?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳給管理中心。中央處理 器能夠接收管理中心的指令，控制灌溉設(shè)備開關(guān)對指定的區(qū)域進(jìn)行灌 溉。網(wǎng)關(guān)通過太陽能電池供電，能夠有效的節(jié)約能源，降低成本。協(xié)
議棧轉(zhuǎn)化模塊能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠接入無線局域網(wǎng)。整個系統(tǒng)運(yùn)行過程如下首先布置好與網(wǎng)絡(luò)連接好的網(wǎng)關(guān)，有條件的地區(qū)可以把網(wǎng)關(guān)通過無線方式接入Internet或者無線局域網(wǎng)，不 具備條件的通過有線的方式布置網(wǎng)線以保證網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)。再將接入 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)均勻放置在農(nóng)作物種植區(qū)內(nèi)，以保證網(wǎng)關(guān)控制的灌溉設(shè)備 的灌溉范圍能基本覆蓋所有的種植區(qū)域，配置好網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，給 每個阿關(guān)進(jìn)行編號，同時記錄下網(wǎng)關(guān)的位置信息。將無線傳感器節(jié)點(diǎn) 隨機(jī)撒放到農(nóng)作物種植區(qū)域內(nèi)，保證每個傳感器節(jié)點(diǎn)的至少在一個網(wǎng) 關(guān)的射頻通信范圍內(nèi)，同時盡量用最小數(shù)目的傳感器以保證所有區(qū)域 都能被監(jiān)測到，開始工作時，傳感器節(jié)點(diǎn)通過傳感板采集到的附近的 濕度，水分?jǐn)?shù)據(jù)以及記錄下接收到的網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率強(qiáng)度，傳感器節(jié) 點(diǎn)間通過自組織成無線多跳網(wǎng)絡(luò)，把這些數(shù)據(jù)傳送到最近的一個網(wǎng) 關(guān)。網(wǎng)關(guān)根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)送來的數(shù)據(jù)，計算出該傳感器器節(jié)點(diǎn)的相對 于該網(wǎng)關(guān)的位置，將此位置信息，網(wǎng)關(guān)編號連同采集的數(shù)據(jù)信息通過 網(wǎng)絡(luò)發(fā)給管理中心。管理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析，當(dāng)某一數(shù)據(jù)低 于設(shè)定的閾值的時候，管理中心將此數(shù)據(jù)包的位置信息反饋給對應(yīng)編 號的網(wǎng)關(guān)。最后網(wǎng)關(guān)根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)包，以確定需要灌溉的區(qū) 域位置，通過調(diào)節(jié)灌溉設(shè)備對該區(qū)域進(jìn)行有效的灌溉。
權(quán)利要求
1、一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)，由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、管理中心和灌溉設(shè)備組成，其特征在于，其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)由中央處理器，存儲器，支持802.15.4協(xié)議無線通信模塊和傳感板組成，并采用干電池供電，其中網(wǎng)關(guān)包括中央處理器和存儲器，網(wǎng)關(guān)通過其內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)接入模塊接入網(wǎng)絡(luò)，并采用太陽能電池供電，網(wǎng)關(guān)與傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方式進(jìn)行連接，其中網(wǎng)關(guān)中的協(xié)議棧轉(zhuǎn)化模塊能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠接入無線局域網(wǎng)。
2、 一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方法，首先將網(wǎng)關(guān) 與網(wǎng)絡(luò)連接，把網(wǎng)關(guān)通過無線方式接入Internet或者無線局域網(wǎng)，也 可通過有線的方式布置網(wǎng)線使其接入網(wǎng)絡(luò)；將接入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)均勻放 置在農(nóng)作物種植區(qū)內(nèi)，使網(wǎng)關(guān)控制的灌溉設(shè)備的灌溉范圍覆蓋所有的 種植區(qū)域，配置網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置,再給每個網(wǎng)關(guān)進(jìn)行編號，同時記錄 下網(wǎng)關(guān)的位置信息；然后將無線傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)撒放到農(nóng)作物種植區(qū) 域內(nèi)，保證每個傳感器節(jié)點(diǎn)至少在一個網(wǎng)關(guān)的射頻通信范圍內(nèi)，最后 通過上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對灌溉設(shè)備進(jìn)行控制，其特征在于，控制方 法包括以下步驟步驟l，傳感器節(jié)點(diǎn)通過傳感板釆集附近的濕度，水分?jǐn)?shù)據(jù)以及 記錄下接收到的網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率強(qiáng)度，傳感器節(jié)點(diǎn)間通過自組織成無 線多跳網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)傳送到最近的一個網(wǎng)關(guān)；步驟2，網(wǎng)關(guān)根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)送來的數(shù)據(jù)，計算出該傳感器器節(jié) 點(diǎn)相對于該網(wǎng)關(guān)的位置，將此位置信息，網(wǎng)關(guān)編號連同采集的數(shù)據(jù)信 息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給管理中心；步驟3，管理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析，當(dāng)所得數(shù)據(jù)低于設(shè)定 的閾值的時候，譽(yù)理中心將茈數(shù)據(jù)包的位置信息反饋給對應(yīng)編號的網(wǎng) 關(guān)；步驟4，網(wǎng)關(guān)根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)包，以確定需要灌溉的區(qū)域位 置，通過調(diào)節(jié)灌溉設(shè)備對該區(qū)域進(jìn)行合理灌溉。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)，由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、管理中心和灌溉設(shè)備組成，還公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方法，利用無線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)，實時監(jiān)測種植物的水分狀況，通過管理中心的計算機(jī)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，根據(jù)不同的種植物的特點(diǎn)，安排出合理有效的節(jié)水灌溉方案，同時由于這套設(shè)備可擴(kuò)展性，可以與其他信息化設(shè)備綜合利用，能夠給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供化信息化，多元化的實惠的服務(wù)。
文檔編號H04L12/28GK101155090SQ200610032350
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者彬 付, 文建國, 曾凡仔, 李仁發(fā), 李瑞芳, 娟 羅, 魏葉華 申請人:湖南大學(xué)