专利名称：基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及温室精细作物生长环境监测及无线通信领域，特别是一种基于无 线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统及方法。
背景技术：
目前有些温室用来进行观赏植物的培育及一些珍贵野生植物的驯化，这些植 物种植量少且生长环境要求苛刻，因此称之为精细作物。如何对温室中精细作物 的生长环境进行细致的实时监测是农业工作者和农业科学研究者面临的巨大问 题。传统的智能温室虽然安装有传感器监测温室的环境，但是由于传感器的密度 及感知范围等原因不可能对温室中的特定植物进行细致的环境监测，传统的温室 环境传感器往往只能监测一个温室的大概环境。精细作物虽然放置在温室内，但 是可能由于摆放位置稍微不注意，局部的生长环境与温室环境会有不小的差别。 因此会出现不少精细作物在温室中发育不良，甚至死亡的情况。
我国的温室目前存在的主要问题 一是缺乏一种覆盖足够细致的监测系统。 二是监测系统的智能化和网络化程度不够。目前温室监测系统中的传感器都是以 有线的方式与监控台相连，传感器的数量和摆放位置都是固定不变的，要得到温 室任意局部的环境参数是不可能的。而且温室需要有专业人员在总控台对数据进 行定期的监视，这样不仅提高了人力成本，而且可靠性也没有保障。
发明内容
针对上述现有技术，本发明克服了以往的温室监测系统存在的问题 一是通 过支持无线通信的微小传感器节点实现对温室任意局部环境的感知覆盖。二是传 感器节点本身的计算能力和无线通信能力实现了温室监测系统的智能化和网络化，同时将无线传感器网络与手机短信网络相结合加大了温室环境信息的传播范 围并提高了信息的实时性。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是 一种基于无线传感器网络的温 室精细作物生长环境监测系统，包括无线传感器网络、无线网关和控制台，其中 无线传感器网络包括位于待测点的无线传感器节点和汇聚节点，所述无线传感器 节点通过汇聚节点接入无线网关，无线网关与控制台双向连接，且控制台连接有 信息收发装置。作为优选方案，上述信息收发装置采用的是短信猫。所述汇聚节点采用CROSSBOW公司生成的imote2节点，其包括arm系列处理器和CC2420射频芯片。相应的，本发明还提供了一种基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境 监测方法，包括如下步骤1) 由传感器节点对温室中待测点处的环境参数实时监测；2) 由传感器节点将采集到的环境信息发送给汇聚节点，汇聚节点再将数据跳 传给无线网关；3) 与无线网关连接的控制台读取无线网关接收到的数据，并将收集到的数据 存储在控制台的数据库中；4) 控制台不断扫描最近一段刷新时间内进入数据库的环境数据，使其与预先 设定的各类参数门限值进行比较，如果超过门限值则判定为异常，控制台控制与 其连接的信息收发装置向信息中心发送报警短信。进一步的，信息中心还可以对信息收发装置发送相应节点的询问信息，控制台 检测到信息收发装置收到的询问信息，提取数据库中相应节点的数据，将其通过 信息收发装置发送至信息中心。本发明将无线传感器网络与手机短信网络进行有效结合，提供了一整套温室 精细作物生长环境监测系统及其方法。温室监控人员把无线传感器节点放置在需 要监测的精细作物附近，节点的序号对应着相应的作物。传感器节点以无线的方式把监测数据发给温室内的数据汇聚节点。数据汇聚节点先对温室内部所有节点 的监测数据进行压縮处理，然后将压縮处理后的数据以数据跳传的方式，通过其 他温室的汇聚节点由远至近传递给无线网关。温室管理人员在连接有无线网关的 控制台设定好每个节点的环境参数门限值。控制台接收到网关通过串口送来的数 据后把数据存放在数据库中，同时控制台扫描数据库观测是否有超过门限值的异 常数据，如果有异常立刻通过短信猫向温室管理员发送报警短信。温室管理员也 可以通过向短信猫发送短信来查询作物的生长环境信息。其中上述系统采用的方 法包括分层次的无线传感器网络拓扑形成方法、控制台识别异常数据发送报警 短信的方法、控制台解析查询短信返回査询数据的方法等。综上所述，本发明所述基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系 统可以用于完成对温室内精细作物的实时全面监测，其所采用的监测方法可以对 作物的生长环境的变化做出及时的应对措施。以下结合附图和具体实施例对本发明的工作原理进行进一步的描述 在下述详细的具体实施方式
中，尽管以具有一定程度特性的优选形式对本发 明进行了描述，但是可以在不背离其宗旨和范围的前提下实施本发明的各种明显 不同的实施例，应理解在不偏离权利要求范围的情况下，发明不限于具体实施例。
图l是实施例中所述监测系统的结构示意图； 图2是本发明中汇聚节点实现的功能流程图； 图3是实施例中控制台识别异常数据发送报警短信方法流程图； 图4是实施例中控制台解析査询短信的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中温室精细作物生长环境监测系统包括以下几个部分无线传感器节点，汇聚节点，无线网关，控制台和短信猫构成。
整个系统结构及功能如下所述无线传感器节点通过自身连接的多种传感器 采集环境信息，采集好的环境信息经过打包后发送给汇聚节点，所述汇聚节点一 般具有大存储容量和高运算速度。汇聚节点首先对一段时间内温室中所有无线传 感器节点采集的环境数据进行压縮，然后采用最小跳数的路由协议将压縮数据跳 传给无线网关。控制台通过一条串行通信线与无线网关相连，并读取无线网关接 收到的数据。收集到的环境数据将存储在控制台的数据库中，同时控制台的监控 程序会不断的扫描最近一分钟内进入数据库的环境数据，如果有数据超过管理员 设定的门限值则判定为异常，监控程序立刻通过短信猫向温室管理员发送报警短 信。当温室管理员希望了解温室中某个作物的生长环境情况时，可以通过向短信 猫发送短信，查询作物对应的传感器节点采集的环境信息。
如图2所示，流程图描述了汇聚节点和温室的传感器节点形成分层次网络拓扑
的方法。汇聚节点采用CROSSBOW公司生成的imote2节点，节点结构基于arai系 列处理器和CC2420射频芯片，处理器最高频率可以达到416MHz，且具有32M的 SDRAM，因此该节点满足本发明对汇聚节点的硬件要求。汇聚节点的功能基于加 州大学博克立分校开发的TinyOS嵌入式操作系统实现。TinyOS为了节省传感器节 点能量采用事件驱动机制，因此汇聚节点上的两个任务(task)分别由接收数据包事 件和时钟计数驱动，在本实施例中称这两个任务为处理接收数据包任务和定时广 播路由信息任务。
其中处理接收数据包任务
1. 任务进入等待状态，等待接收数据包事件的发生；
2. 当接收到一个无线数据包时，程序结束等待状态，进入执行状态；
3. 判断是否是其他汇聚节点发送的数据包，如果是其他汇聚节点发送的数据 包那么执行步骤4，否则进入步骤8;
4. 提取数据包中的跳数字段；5. 汇聚节点查看自己距离无线网关的跳数是否仍然为空，如果为空那么执行 步骤6，否则进入步骤7;6. 将提取的数据包中的跳数字段力ni变为自己的跳数，进入步骤io;7. 将提取的数据包中的跳数字段加l后看是否小于自己距离无线网关的跳数， 如果小于那么进入步骤6，否则进入步骤10;8. 判断是否是同一个温室内的传感器节点发送的数据包，如果是进入步骤9，否则进入步骤10;9. 提取数据包中的传感数据字段进行压縮，进入步骤10;10. 回到任务的等待状态。 其中定时广播路由信息任务包括1. 时钟计数器计时；2. 判断一个计数周期是否到了，如果是进入步骤3，否则进入步骤l;3. 将汇聚节点自己的节点标号和距离无线网关的跳数达到一个数据包中并广 播该数据包；4. 计数器清空，回到步骤l;网关将接收的数据传送到控制台之后，通过控制台存储到其数据库中。如图3 所示，控制台识别异常数据发送报警短信的方法包括步骤如下1. 启动该程序后，程序内部的一个计时器也随即被启动；2. 查看计时器中的时间是否到一分钟了，如果到一分钟了进入步骤3，否则进入步骤5;3. 査询数据库中存储的近一分钟的数据，是否有数据超过阀值，如果有超过阀值的数据进入步骤4，否则进入步骤5;4. 发送报警短信；5. 计时器重新开始计时。图4所示为本实施例采取的一种控制台解析查询短信的方法流程图，该模块可采用Visual 0++6.0和8(^1^61^"实现。该模块在接收到短信猫送来的中文査询短信 后，将对中文查询短信进行解析，解析的结果为一条完成的SQL査询语句，然后 通过SQL査询语句对数据库进行査询得到结果。解析査询短信的具体步骤如下
1. 程序模块启动，准备接收中文查询短信；
2. 从短信猫得到一条查询短信后开始进行解析扫描；
3. 判断短信前两个字符是否为'查询'，如果是，进入步骤4，否则进入步骤8;
4. 生成'査询'相应的SQL语句，并扫描短信的第三个字符；
5. 判断字符是否为数字，且数字是一个小于255的正整数，如果是，进入步骤6， 否则进入步骤8;
6. 生成相应的SQL语句，并继续后面短信字符的扫描；
7. 判断字符是否为'最大'、'最小'或者'平均'，如果是，进入步骤9，否 则进入步骤8;
8. 进入异常状态，对短信用户发送使用说明；
9. 生成一条完整的SQL查询语句。
权利要求
1、基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统，其特征在于，包括无线传感器网络、无线网关和控制台，其中无线传感器网络包括位于待测点的无线传感器节点和汇聚节点，所述无线传感器节点通过汇聚节点接入无线网关，无线网关与控制台双向连接，且控制台连接有信息收发装置。
2、 根据权利要求l所述基于传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统，其特征在于，所述信息收发装置采用的是短信猫。
3、 根据权利要求l所述基于传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统， 其特征在于，所述汇聚节点采用CROSSBOW公司生产的imote2节点，其包括arm 系列处理器和CC2420射频芯片。
4、 基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方法，其特征在于，包 括如下步骤1) 由传感器节点对温室中待测点处的环境参数实时监测；2) 由传感器节点将采集到的环境信息发送给汇聚节点，汇聚节点再将数据跳 传给无线网关；3) 与无线网关连接的控制台读取无线网关接收到的数据，并将收集到的数据 存储在控制台的数据库中；4) 控制台不断扫描最近一段刷新时间内进入数据库的环境数据，使其与预先 设定的各类参数门限值进行比较，如果超过门限值则判定为异常，控制台控制与 其连接的信息收发装置向信息中心发送报警短信。
5、根据权利要求4所述基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方 法，其特征在于，还包括信息中心对信息收发装置发送相应节点的询问信息， 控制台检测到信息收发装置收到的询问信息，提取数据库中相应节点的数据，将 其通过信息收发装置发送至信息中心。
6、根据权利要求4所述基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方法，其特征在于，步骤2中汇聚节点对环境信息经过压縮处理后再进行传送。
7、 根据权利要求4所述基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方法，其特征在于，所述环境参数包括温度、湿度和光强。
8、 根据权利要求4所述基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方 法，其特征在于，所述刷新时间为一分钟。
全文摘要
本发明公开了一种基于无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测系统，包括无线传感器网络、无线网关和控制台，其中无线传感器网络包括位于待测点的无线传感器节点和汇聚节点，所述无线传感器节点通过汇聚节点接入无线网关，无线网关与控制台双向连接，且控制台连接有信息收发装置。相应的，还公开了一种基于上述无线传感器网络的温室精细作物生长环境监测方法。本发明可用于完成对温室内精细作物的实时全面监测，且能够对作物的生长环境的变化作出及时的应对措施。
文档编号H04L12/28GK101303245SQ20081003164
公开日2008年11月12日 申请日期2008年7月2日 优先权日2008年7月2日
发明者叶松涛, 周四望, 林亚平, 章健军, 胡玉鹏, 谢智德 申请人:湖南大学