农田监测区域的土壤健康智能监测系统的制作方法

本发明涉及农田监测技术领域，具体涉及农田监测区域的土壤健康智能监测系统。

背景技术：

现有技术中，信息化技术在推动农业的发展上越来越受到重视。无线传感器网络是实现农业信息化的重要手段，无线传感器网络技术集传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，能够通过各类微型传感器节点间的协作、实时感知和采集被监测对象的信息。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供农田监测区域的土壤健康智能监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了农田监测区域的土壤健康智能监测系统，包括：

监测模块，用于对反应农田环境情况的土壤质量参数进行采集，并将采集得到的土壤质量参数发送至数据处理模块；

数据处理模块，被配置为对接收的土壤质量参数进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；

数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；

数据分析比较模块，被配置为将土壤质量参数与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；

报警模块，被配置为接收所述比较结果，并在土壤质量参数大于设定的安全阈值时向设定的用户终端输出报警信息。

优选地，所述数据管理模块包括：

元数据管理单元，被配置为元数据的添加、删除和更新；

数据融合单元，被配置为对相关数据进行融合处理；

数据查询单元，被配置为根据用户自定义的查询条件实时查询相关数据；

所述相关数据包括所述土壤质量参数、所述元数据。

本发明的有益效果为：实现了农田土壤质量的监测，能够实时将土壤的情况进行记录和分析，在土壤质量参数不满足条件时及时预警，提高了农田监测的自动化程度以及数据采集精度。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的农田监测区域的土壤健康智能监测系统的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的数据处理模块的结构示意框图。

附图标记：

监测模块1、数据处理模块2、数据管理模块3、数据分析比较模块4、报警模块5、数据修正单元10、数据填补单元20。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明实施例提供了农田监测区域的土壤健康智能监测系统，包括：

监测模块1，用于对反应农田环境情况的土壤质量参数进行采集，并将采集得到的土壤质量参数发送至数据处理模块；数据处理模块2，被配置为对接收的土壤质量参数进行预处理，并发送至数据管理模块3处进行存储；数据管理模块3，被配置为对存储的数据进行管理；数据分析比较模块4，被配置为将土壤质量参数与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；报警模块5，被配置为接收所述比较结果，并在土壤质量参数大于设定的安全阈值时向设定的用户终端输出报警信息。

其中，所述监测模块1包括单个汇聚节点和多个传感器节点，传感器节点部署于设定的监测区域内；网络初始化时，从传感器节点中选取多个簇头，并根据选取的簇头将各传感器节点划分为多个簇组；传感器节点采集所监测位置的土壤质量参数，并将土壤质量参数单跳发送至对应的簇头；簇头负责簇内土壤质量参数的接收和处理，并将处理后的土壤质量参数通过多跳的方式发送至汇聚节点，以由汇聚节点将土壤质量参数传输到数据处理模块2。

在一种可能实现的方式中，所述数据管理模块3包括：

元数据管理单元，被配置为元数据的添加、删除和更新；

数据融合单元，被配置为对相关数据进行融合处理；

数据查询单元，被配置为根据用户自定义的查询条件实时查询相关数据；

所述相关数据包括所述土壤质量参数、所述元数据。

在一种能够实现的方式中，如图2所示，数据处理模块2包括数据修正单元10和数据填补单元20，数据修正单元10被配置为对接收的土壤质量参数进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理；数据填补单元20被配置为对土壤质量参数进行缺失检测，并对检测出的缺失序列进行数据填补。

本发明上述实施例设计的农田土壤质量智能可靠监测系统，实现了农田土壤质量的监测，能够实时将土壤的情况进行记录和分析，在土壤质量参数不满足条件时及时预警，提高了农田监测的自动化程度以及数据采集精度。

在一种能够实现的方式中，传感器节点发送能耗采用自由空间损耗模型，而簇头与汇聚节点之间进行通信时采用多径衰减模型；所述的从传感器节点中选取多个簇头，并根据选取的簇头将各传感器节点划分为多个簇组，包括：

(1)设定簇头的数量m，将设定的监测区域平均划分为m个子区域；

(2)按照下列公式计算每个子区域的重心位置：

式中，ρb表示第b个子区域的重心位置，b＝1,…,m，x(c)表示所述第b个子区域中第c个传感器节点所在位置的横坐标，y(c)为所述第c个传感器节点所在位置的纵坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，nb为所述第b个子区域具有的传感器节点个数；

(3)对每个子区域，计算子区域内各传感器节点担任簇头的概率：

式中，pbc为第b个子区域的第c个传感器节点担任簇头的概率，为所述第c个传感器节点与重心位置ρb的距离，为第b个子区域的第v个传感器节点与重心位置ρb的距离，nb为所述第b个子区域具有的传感器节点个数；ebc为所述第c个传感器节点的当前剩余能量，ebmin为第b个子区域内传感器节点的当前剩余能量的最小值，ebv为所述第v个传感器节点的当前剩余能量；μ1、μ2为预设的权重系数，且满足μ1+μ2＝1，μ1>1.2μ2；

(4)从每个子区域中选择一个区域内担任簇头的概率最大的传感器节点作为簇头，其余传感器节点选择距离最近的簇头加入簇，从而形成多个簇组。

本实施例通过将监测区域平均划分为多个子区域，并计算每个子区域的重心位置。本实施例提出了子区域内各传感器节点担任簇头的概率的计算公式，该计算公式中，距离所在子区域重心位置更近、能量更足的传感器节点具有更大的概率担任簇头。本实施例从每个子区域中选择一个区域内担任簇头的概率最大的传感器节点作为簇头，能够保证簇头尽量均匀地分布在整个监测区域内，提升了分簇结果的全局最优性能，并且有利于均衡簇头的能量消耗，提高簇头进行土壤质量参数收集工作的稳定性。

在一个实施例中，汇聚节点按预设周期获取每个传感器节点的当前剩余能量信息，并根据当前剩余能量信息对每个簇组进行能量检测，若检测出簇组a中所有传感器节点的能量均低于预设的最低能量阈值，则汇聚节点向该簇组a中的簇头发送重新分簇指令，簇头接收到重新分簇指令后，计算簇内各传感器节点的权值，选择权值最大的传感器节点作为另一个簇头，并向簇内其余传感器节点广播分簇消息，接收到分簇消息的传感器节点在簇组a中的两个簇头中选择距离最近的簇头加入，从而簇组a被划分为两个簇组；其中，设定权值的计算公式为：

式中，wij表示簇头i对应簇内的传感器节点j的权值，i≠j，eij为所述传感器节点j的当前剩余能量，eimin为簇头i对应簇内传感器节点的当前剩余能量最小值，e)k为簇头i对应簇内第k个传感器节点的当前剩余能量，n)为簇头i对应簇内的传感器节点数量，d)j为簇头i与所述传感器节点j的距离，dio为簇头i与汇聚节点的距离，djo为所述传感器节点j与汇聚节点的距离，dik为簇头i与所述第k个传感器节点的距离，dko为所述第k个传感器节点与汇聚节点的距离，λ1、λ2、β为预设的权重系数，且λ1+λ2＝1，0.5≤β<1。

本实施例在簇组内的传感器节点的能量皆较低时，创新性地通过增加簇头数量的方式来减少每个簇组内的传感器节点数量。本实施例能够在能量不足时有效降低每个簇头传输的土壤质量参数量，从而有效降低簇头的能耗，保证系统通信的正常运行，有效延长土壤质量参数传输工作的周期。本实施例提出了另一簇头的选取机制，其中设定了权值的计算公式，由该计算公式可知，当前剩余能量越大、与汇聚节点距离越近、与簇头距离较远的传感器节点具有更大的概率当选为另一簇头。根据权值选择另一簇头，有利于尽量降低增加分簇造成的能量消耗，提高分簇后簇头进行土壤质量参数收集工作的稳定性。

在一个实施例中，按照下列公式确定m：

式中，δ1为基于自由空间损耗模型的功放能耗系数，δ2为基于多径衰减模型的功放能耗系数，n为部署的传感器节点个数，s为所述监测区域的面积，dch,o为传感器节点到汇聚节点的平均距离；int为取整函数；dmax为部署的传感器节点到汇聚节点的最大距离，dmin为部署的传感器节点到汇聚节点的最小距离，dmax-1为部署的传感器节点到汇聚节点的次大距离，dmin-1为部署的传感器节点到汇聚节点的次小距离；η为由专家设定的子区域长度。

本实施例基于监测区域的实际情况以及传感器节点的部署情况，设计了监测区域划分成子区域的数目的计算公式，根据该计算公式确定子区域的数目，相对于随机设定的方式，优化了簇组数，有利于节省网内传感器节点的能耗，进而降低土壤质量参数的采集成本。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。