專利名稱：溫室變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，特別是一種應(yīng)用于溫室測控系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
溫室環(huán)境控制是在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，通過改變環(huán)境因子如溫度、濕度、光照度等來獲得作物生長的最佳條件，從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。荷蘭、日本、美國、以色列等國溫室環(huán)境控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，已經(jīng)能夠達(dá)到對多因素綜合控制的水平。近年來，我國在溫室控制方面也獲得了不少研究成果。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。由于其簡單易用、可靠、高性價比、低功耗，所以應(yīng)用前景十分廣闊，在軍事國防、工業(yè)生產(chǎn)、城市管理、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測、設(shè)施農(nóng)業(yè)、搶險救災(zāi)、防恐反恐、空間探索、危險區(qū)域與遠(yuǎn)程控制等許多重要領(lǐng)域都有潛在的實用價值，已經(jīng)引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究，國外相對比較先進(jìn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)生產(chǎn)與制造中有著多種不同應(yīng)用。農(nóng)業(yè)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。文獻(xiàn)報道，英特爾率先在俄勒岡州建立了第一個無線葡萄園。無線傳感器節(jié)點被分布在葡萄園的每個角落，每隔一分鐘檢測一次土壤溫度，以確保葡萄可以健康生長，進(jìn)而獲得大豐收。
國內(nèi)的一些科研單位和大學(xué)，如清華大學(xué)、東南大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動化所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等已經(jīng)初步開展了在傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作。但從總體來講，國內(nèi)關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還處于剛剛起步的階段，大多還停留在基礎(chǔ)理論跟蹤國際研究階段，非常缺乏典型的實際應(yīng)用示范及產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢。
在國內(nèi)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室等設(shè)施農(nóng)業(yè)中的具體應(yīng)用，尚未見報道。溫室無線測控系統(tǒng)應(yīng)用研究才剛剛起步，尚處于試驗階段，并沒有開發(fā)出完整的、適合溫室特點的無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。初步應(yīng)用研究主要有三類(1)藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用。2003年柳桂國、應(yīng)義斌提出將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用在溫室環(huán)境檢測與控制系統(tǒng)中；2004年張潛、王立人提出將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用在溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中；2005年杜輝、陳教料提出將藍(lán)牙無線通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合運(yùn)用于溫室群的監(jiān)控。藍(lán)牙技術(shù)是比較早的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但由于其技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)用系統(tǒng)費(fèi)用高，功耗高，供電電池壽命短，因此很難在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到應(yīng)用推廣。
(2)基于無線移動通信和Internet網(wǎng)絡(luò)溫室測控系統(tǒng)。2006年孫忠富、曹洪太等提出了一種基于GPRS和WEB技術(shù)的溫室環(huán)境信息遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和信息發(fā)布系統(tǒng)方案；2006年馮全、王書文等提出了一種采用無線RF技術(shù)實現(xiàn)分布式溫室群控制系統(tǒng)；2006年劉士光、劉建民等設(shè)計了具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、有線數(shù)據(jù)通信與無線數(shù)據(jù)通信相結(jié)合的農(nóng)業(yè)設(shè)施遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。以上研究仍然建立在有線傳感器和有線控制器基礎(chǔ)上，沒有減少溫室內(nèi)部大量的信號傳輸線和動力線，因此并沒有根本解決現(xiàn)有的溫室測控系統(tǒng)缺陷。
(3)2006年羅惠謙、張馨等研制了用于溫室環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器，但僅僅是初步實現(xiàn)單個無線傳感器檢測，沒有開發(fā)出完整的，能夠適合溫室特點的無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。
從目前的研究情況看，關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室測控系統(tǒng)中的應(yīng)用大部分僅僅在理念上做了一些局部的闡述，還沒有從系統(tǒng)實用的角度進(jìn)行全面研究。關(guān)于探討數(shù)字農(nóng)業(yè)共性核心技術(shù)，建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)溫室測控系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室環(huán)境與作物生長的無線優(yōu)化控制的研究尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室測控系統(tǒng)中應(yīng)用的不足，提出一種應(yīng)用于溫室測控系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)經(jīng)匯聚節(jié)點到控制中心的傳輸，以及控制指令經(jīng)匯聚節(jié)點到控制節(jié)點的傳輸，避免了有線網(wǎng)絡(luò)帶來的線路鋪設(shè)成本高、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等不利因素。
為了實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明設(shè)置匯聚節(jié)點在移動過程中與覆蓋范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點、控制節(jié)點形成星型網(wǎng)絡(luò)，再由匯聚節(jié)點與控制站點、控制中心依次相連。
且在溫室頂端布置塑料軌道和韌性強(qiáng)的導(dǎo)線作為帶電拉索。設(shè)置匯聚節(jié)點固定在溫室頂端的帶電拉索上，由轱轆兩端固定連接供電，且在匯聚節(jié)點上安裝散熱片和風(fēng)扇。
本發(fā)明的優(yōu)點是(1)由于在一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能量有限是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的瓶頸問題。而溫室是一個狹長的應(yīng)用場合，如果在兩端部署匯聚節(jié)點必將使得部分節(jié)點因傳輸距離遠(yuǎn)而較早的耗盡能量，故本發(fā)明采用移動匯聚節(jié)點的方式，減少傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的通信距離，從而減少傳感器節(jié)點的能量消耗。
(2)由于將移動匯聚節(jié)點部署在溫室頂端的軌道上，可解決在在溫室地面部署移動匯聚節(jié)點的不便。
(3)采用塑料軌道和韌性強(qiáng)的導(dǎo)線作為拉索解決了銹蝕問題，而且成本很低；匯聚節(jié)點與帶電拉索固定連接，由轱轆兩端固定連接供電，避免了觸點連接，解決了觸點銹蝕接觸不良問題；在匯聚節(jié)點上安裝散熱片和風(fēng)扇，解決了散熱問題。
(4)本發(fā)明采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用比較普遍的2.4GHz全球公開免費(fèi)頻段，可減少無線通信對其他設(shè)備的干擾，同時有效降低發(fā)送功率。


圖1為整個溫室測控系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的截面示意3為本發(fā)明溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)流程具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步描述。
圖1為整個溫室測控系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，每個溫室中的傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干匯聚節(jié)點(1)、若干傳感器節(jié)點(2)、若干控制節(jié)點(3)和一個控制站點(8)組成，其中控制站點(8)起著所在傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理器的作用，而控制中心(9)則對所有溫室進(jìn)行統(tǒng)一管理和監(jiān)控。在每個溫室中，匯聚節(jié)點(1)是傳感器節(jié)點(2)、控制節(jié)點(3)與控制站點(8)之間連接的橋梁，所有采集數(shù)據(jù)均通過匯聚節(jié)點(1)發(fā)送到控制站點(8)，而控制指令則由控制站點(8)發(fā)出后通過匯聚節(jié)點(1)發(fā)送給控制節(jié)點(3)，由控制節(jié)點(3)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)(7)執(zhí)行控制任務(wù)。將移動匯聚節(jié)點(1)部署在溫室頂端，在頂端固定若干段軌道(5)，每段軌道(5)上部署一個匯聚節(jié)點(1)，由電機(jī)驅(qū)動軌道(5)兩端的轱轆(6)轉(zhuǎn)動，再由轱轆(6)帶動拉索(4)移動，匯聚節(jié)點(1)固定在拉索(4)上隨著拉索(4)的運(yùn)動而運(yùn)動。
圖2為本發(fā)明的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的截面示意圖，由某溫室中移動構(gòu)架、軌道(5)、匯聚節(jié)點(1)、傳感器節(jié)點(2)以及控制節(jié)點(3)組成。在軌道(5)兩端分別安裝一個電機(jī)，通過兩個電機(jī)的輪流工作驅(qū)動軌道(5)兩端的轱轆(6)轉(zhuǎn)動，每鎘T/2時間即更換工作狀態(tài)，且兩個電機(jī)的工作狀態(tài)正好相反。為了使匯聚節(jié)點(1)具有足夠的通信能量，所采用的拉索(4)為帶電拉索(4)，這樣可以給匯聚節(jié)點(1)提供必要的能量?？紤]到溫室高溫高濕環(huán)境對系統(tǒng)可靠性的影響，我們采用塑料軌道(5)和韌性強(qiáng)的導(dǎo)線作為帶電拉索(4)解決了銹蝕問題，而且成本很低；匯聚節(jié)點(1)與帶電拉索(4)固定連接，且?guī)щ娎?4)與轱轆(6)兩端固定連接供電，避免了觸點連接，解決了觸點銹蝕接觸不良問題；又由于匯聚節(jié)點(1)位于溫室上方，工作溫度比較高，在匯聚節(jié)點(1)上安裝散熱片和風(fēng)扇，解決了散熱問題。
本發(fā)明溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)按圖3所示流程進(jìn)行。
首先溫室變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)滿足以下假定(1)每個傳感器節(jié)點(2)和控制節(jié)點(3)具有相同的無線通信能力；(2)所有的傳感器節(jié)點(2)、控制節(jié)點(3)只與所在區(qū)域的匯聚節(jié)點(1)發(fā)生通信，且傳感器節(jié)點(2)之間、控制節(jié)點(3)之間以及傳感器節(jié)點(2)與控制節(jié)點(3)之間無需通信；(3)所有匯聚節(jié)點(1)均具有完全相同的功能和通信能力。
步驟S-1將整個溫室劃分為若干長度相同的區(qū)，每個區(qū)安裝一段軌道(5)，每段軌道(5)長度均相同且各自布置一個匯聚節(jié)點(1)，匯聚節(jié)點(1)固定在帶電拉索(4)上，由電機(jī)驅(qū)動轱轆(6)轉(zhuǎn)動，轱轆(6)帶動帶電拉索(4)，匯聚節(jié)點(1)隨拉索(4)運(yùn)動，控制兩端轱轆(6)的輪流轉(zhuǎn)動實現(xiàn)匯聚節(jié)點(1)的往復(fù)運(yùn)動。根據(jù)移動過程中數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)男枰?，選定匯聚節(jié)點(1)合適的移動速率v；由于數(shù)據(jù)傳輸速度很快，這樣導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲的時間主要就是匯聚節(jié)點(1)的移動時間，選定一個匯聚節(jié)點(1)往復(fù)移動一次的允許時間T，要求T≤τ(τ為系統(tǒng)允許的最大延遲)，因此每段軌道(5)的長度d1為
d1=v×T2]]>步驟S-2已知溫室總長度為L1，則根據(jù)溫室總長度L1、軌道(5)長度d1以及軌道(5)與軌道(5)之間的間隔d2可以確定需要的匯聚節(jié)點(1)數(shù)量n為n=L1+d2d1+d2]]>n也即為一個溫室中需要的軌道(5)數(shù)量，為了使n取得整數(shù)可以適當(dāng)調(diào)整匯聚節(jié)點(1)的移動速率v。
步驟S-3已知溫室寬度為L2，高度為h，為了滿足匯聚節(jié)點(1)對溫室的全覆蓋，需考慮軌道(5)與軌道(5)之間的距離d2，假設(shè)傳感器節(jié)點(2)的最大通信距離為l，匯聚節(jié)點(1)在地面的覆蓋半徑為r，則r=12L22+d22]]>l=r2+h2]]>步驟S-4根據(jù)傳感器節(jié)點(2)的最大通信距離l，確定各傳感器節(jié)點(2)的最大發(fā)射功率p。
步驟S-5根據(jù)軌道(5)長度分段安裝軌道(5)，每段軌道(5)上部署一個匯聚節(jié)點(1)，匯聚節(jié)點(1)與帶電拉索(4)固定連接，帶電拉索(4)由轱轆(6)兩端固定連接供電，兩端的轱轆(6)分別通過電機(jī)驅(qū)動而輪流轉(zhuǎn)動。為了確保電機(jī)能準(zhǔn)確地輪流工作，根據(jù)匯聚節(jié)點(1)的移動速率v以及匯聚節(jié)點(1)往復(fù)移動一次的允許時間T，則可以確定對軌道(5)兩端電機(jī)的工作狀態(tài)的精確控制，兩個電機(jī)的工作狀態(tài)正好相反，兩個電機(jī)均只有兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)動和停止。當(dāng)軌道(5)一端(如左端)的電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動帶動拉索(4)向左運(yùn)動的時候，另一端(右端)的電機(jī)停止工作而隨左端電機(jī)同向轉(zhuǎn)動，經(jīng)過T/2時間后，則右端的電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動帶動拉索(4)向右運(yùn)動，同時左端的電機(jī)停止工作隨右端電機(jī)同向轉(zhuǎn)動，也就是兩個電機(jī)需同時切換一次工作狀態(tài)，從而確保拉索(4)的往復(fù)運(yùn)動。
步驟S-6為滿足傳感器節(jié)點(2)對整個溫室環(huán)境傳感范圍的全覆蓋，根據(jù)傳感器節(jié)點(2)的傳感半徑以及溫室中的地形，部署傳感器節(jié)點(2)。
步驟S-7最后經(jīng)過以上步驟實現(xiàn)一個應(yīng)用于溫室的自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.溫室變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 其特征在于設(shè)置匯聚節(jié)點(1)在移動過程中與覆蓋范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(2)、控制節(jié)點(3)形成星型網(wǎng)絡(luò)，再由匯聚節(jié)點(1)與控制站點(8)、控制中心(9)依次相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的溫室變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于在溫室頂端布置塑料軌道(5)和韌性強(qiáng)的導(dǎo)線作為帶電拉索(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的溫室變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于匯聚節(jié)點(1)固定在溫室頂端的帶電拉索(4)上，由轱轆(6)兩端固定連接供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3的溫室變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于在匯聚節(jié)點(1)上安裝散熱片和風(fēng)扇。
5.權(quán)利要求1所述的溫室變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法，其特征在于建立步驟如下步驟S-1將整個溫室劃分為若干長度相同的區(qū)，每個區(qū)安裝一段軌道(5)，每段軌道(5)長度均相同且各自布置一個匯聚節(jié)點(1)，根據(jù)移動過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰x定匯聚節(jié)點(1)的移動速率v；選定匯聚節(jié)點(1)往復(fù)移動一次的允許時間T，要求T≤τ，τ為系統(tǒng)允許的最大延遲，確定每段軌道(5)的長度d1為d1=v×T2]]>步驟S-2已知溫室總長度為L1，則根據(jù)溫室總長度L1、軌道(5)長度d1以及相鄰分區(qū)之間的間隔d2，確定需要的匯聚節(jié)點(1)數(shù)量nn=L1+d2d1+d2]]>n即為軌道(5)數(shù)量；步驟S-3已知溫室寬度為L2，高度為h，每個軌道(5))之間的距離d2，假設(shè)傳感器節(jié)點(2)的最大通信距離為l，匯聚節(jié)點(1)在地面的覆蓋半徑為r，則r=12L22+d22]]>l=r2+h2]]>步驟S-4根據(jù)傳感器節(jié)點(2)和控制節(jié)點(3)的最大通信距離l，確定各傳感器節(jié)點(2)與控制節(jié)點(3)的最大發(fā)射功率p；步驟S-5根據(jù)軌道(5)長度分段安裝軌道(5)，每段軌道(5)上部署一個匯聚節(jié)點(1)，匯聚節(jié)點(1)與帶電拉索(4)固定連接，帶電拉索(4)由轱轆(6)兩端固定連接供電，兩端的轱轆(6)分別通過電機(jī)驅(qū)動輪流轉(zhuǎn)動；步驟S-6根據(jù)傳感器節(jié)點(2)的傳感半徑以及溫室中的地形，部署傳感器節(jié)點(2)，使得傳感器節(jié)點(2)傳感范圍能夠覆蓋整個溫室；步驟S-7經(jīng)過以上步驟，構(gòu)建一個溫室變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
本發(fā)明涉及溫室變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及構(gòu)建方法，其設(shè)置匯聚節(jié)點在移動過程中與覆蓋范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點、控制節(jié)點形成星型網(wǎng)絡(luò)，再由匯聚節(jié)點與控制站點、控制中心依次相連。且在溫室頂端布置塑料軌道和韌性強(qiáng)的導(dǎo)線作為帶電拉索，設(shè)置匯聚節(jié)點固定在溫室頂端的帶電拉索上，由轱轆兩端固定連接供電，且在匯聚節(jié)點上安裝散熱片和風(fēng)扇，通過匯聚節(jié)點動態(tài)收集各傳感器節(jié)點采集的溫室環(huán)境參數(shù)，再發(fā)送給控制站點，而控制站點發(fā)出的控制指令通過匯聚節(jié)點發(fā)送給控制節(jié)點。故本發(fā)明減少了傳感器節(jié)點的能量消耗，避免了有線網(wǎng)絡(luò)帶來的線路鋪設(shè)成本高、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等不利因素。
文檔編號H04L12/44GK101021729SQ20071002049
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月6日
發(fā)明者張榮標(biāo), 馮友兵, 沈敏 申請人:江蘇大學(xué)