专利名称：无线传感器网络的农田污染区域监控系统及其监控方法
技术领域：
本发明是一种无线传感器网络的农田污染区域监控系统及其监控方法，尤其涉及 基于无线传感器网络及GPRS的远程农田污染区域立体监控系统及其监控方法，属于无线 传感器网络的农田污染区域监控系统及其监控方法的改造技术。
背景技术：
现有无线传感器网络是由大量的集成有传感器、数据处理单元和无线通信模块的 微小节点通过自组织(Ad hoc)的方式构成的网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、 现代网络与无线通信技术、分布式信息处理技术，具有十分广阔的应用前景。同时它在军事 国防、工农业、城市管理、生物医学、环境监测、抢险救灾、反恐、危险区域远程控制等许多重 要领域都有潜在的实用价值。 在农业方面，农业是国民经济的基础，农业的可持续发展将直接影响我国整个社 会经济的发展。目前，我国农产品与农田环境的安全形势正日趋严峻。随着工业化、现代化 和社会经济的快速发展，人口的急剧增长，以及人类对资源不合理利用，工业"三废"及生活 废弃物的排放引发的环境污染，化肥、农药、生长激素、农用塑料薄膜等化学物质的大量使 用，规模化养殖业的发展带来的禽畜废弃物增加，工业废弃污染物的农业利用及农田废弃 物不合理处置等，已造成了农业系统中水体_ 土壤_生物_大气的直接、复合、交叉与循环 污染(即有关专家提出的"农业立体污染")，极大地影响了农业生态系统的稳定及其功能 的发挥，从而严重威胁我国农产品的安全生产。构建农田污染信息系统，提高对农田系统立 体污染灾情的监测与预报能力，非常必要。 传统的农田污染信息的采集靠人力对各个采样点进行人工采集信息再录入计算 机系统。也有应用GPRS无线网络进行监控的，但不能对监控区域进行精确的数据采集。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可远程地对农田污染区域进行大范 围、远程、实时、精确的监控无线传感器网络的农田污染区域监控系统。 本发明的另一目的在于提供一种方便实用的无线传感器网络的农田污染区域监 控系统的监控方法。 本发明的技术方案是本发明的无线传感器网络的农田污染区域监控系统，包括 有智能传感器节点单元、网关节点单元、远程数据中心单元，其中网关节点单元的输入端与 智能传感器节点单元的输出端无线连接，网关节点单元的输出端与远程数据中心单元的输 入端无线连接。 上述智能传感器节点单元为无线传感器网络智能传感器节点单元，网关节点单元 为无线传感器网络嵌入式网关节点单元。 上述智能传感器节点单元由农田属性信息传感器、信息采集控制器、无线通信模 块组成，信息采集控制器的输入接口与农田属性信息传感器的输出端连接，信息采集控制
4器的输出接口与无线通信模块的输入端相连，无线通信模块的输出端与无线传感器网络相 连。 上述信息采集控制器为微处理器MSP430，无线通信模块为射频模块CC2420,微处 理器MSP430的A/D接口、 IIC接口及普通接口与农田属性信息传感器的输出端连接，微处 理器MSP430的SPI接口输出与射频模块CC2420的输入端相连，射频模块CC2420的输出端 与无线传感器网络相连。 上述所述网关节点单元由供电模块、无线通信模块、嵌入式控制器、无线系统GPRS 发送模块，供电模块为嵌入式网关节点单元提供所用的全部能源，无线通信模块的接收模 块与无线传感器网络无线连接，无线通信模块接收模块的输出与嵌入式控制器的输入端相 连，无线系统GPRS发送模块的输入端与嵌入式控制器的输出端相连，无线系统GPRS发送模 块的输出与中国移动内网或Internet无线相连。 上述供电模块为太阳能/风能供电模块，无线通信模块为射频接收模块CC2420、 嵌入式控制器为微处理器ARM9，无线系统GPRS发送模块为全球移动通信/通用分组无线系 统GPRS发送模块，太阳能/风能供电模块为嵌入式网关节点单元提供所用的全部能源，射 频接收模块CC2420与无线传感器网络无线连接，射频接收模块CC2420的输出端与微处理 器ARM9的SPI接口相连，GPRS发送模块与微处理器ARM9的串行输出口相连，GPRS发送模 块与中国移动内网或Internet无线相连。 上述远程数据中心单元由GPRS接收模块及远程监控主机组成，GPRS接收模
块与远程监控主机的串口相连，远程数据中心单元的GPRS发送模块与中国移动内网或
Internet无线相连，远程数据中心单元上运行数据处理、数据库等程序。 本发明无线传感器网络的农田污染区域监控系统的监控方法，其特征在于包括如
下步骤 1)智能传感器节点单元实现对农区空气二氧化氮、二氧化碳，土壤总锌、总镍、全 盐、总氮、总磷、氟化物以及灌溉水大肠菌群数、总锌、总硒、氮、磷、氟化物等农田参数指标 进行采集； 2)智能传感器节点单元采集到的农田参数指标数据以及智能传感器节点ID号发 送到附近的网关节点单元，网关节点单元把采集到的数据存储下来，然后利用GPRS无线通 信把采集到的农田参数指标数据，智能传感器节点ID号以及网关节点的IP地址发送到远 程数据中心单元； 3)远程数据中心单元把网关节点单元的发送过来的数据存储到SQL2000数据库， 并把采集到的农田参数指标，智能传感器节点ID号以及网关节点的IP地址进行处理，在用 户界面显示出来； 4)当采集到的农田参数指标大于农田系统标准的安全指标时，系统根据网关的 IP地址以及智能传感器节点ID号查找到相应的智能传感器节点；把智能传感器节点单元 所在的污染区域位置和污染指标参数显示出来。 本发明结合农田污染区域信息采集的实际情况，提出基于GPRS及无线传感器网 络的远程农田污染区域监控系统，传感器节点使用各种传感器采集农田污染区域的数据， 通过无线传感器网络把数据发送到网关节点，网关节点再通过GPRS与远程的数据处理中 心进行无线通信，传感器节点采用了低功耗的处理芯片MSP430，通过使用无线传感器网络可以精确地采集各个区域中的数据点的数据，而GPRS无线通信则可以实现远程的监控，把 GPRS及无线传感器网络用于农田污染区域监控，实现超远距离、精确的监控。本发明根据无 线传感器网络在农业上广阔的应用前景，建立基于无线传感器网络的农田污染监控系统， 提高农田污染信息采集的自动化程度及数据采集点的精确度，再组合适合于远程数据传输 技术GPRS，即可远程地对农田污染区域进行大范围、远程、实时、精确的监控，是一种设计合
理，方便实用的无线传感器网络的农田污染区域监控系统及其监控方法。
图1是基于无线传感器网络的远程农田污染区域监控系统的结构图。
图2是基于无线传感器网络的远程农田污染区域监控系统的流程图。
图3是农田污染区域监测平台结构图。
图4是智能传感节点结构图。
图5是网关节点结构图。
具体实施方式
实施例 本发明基于无线传感器网络的远程农田污染区域监控系统的结构示意图如图1 所示，系统主要由无线传感器网络智能传感器节点单元1、无线传感器网络嵌入式网关节点 单元2、远程数据中心单元3组成。所述的无线传感器网络智能传感器节点单元l由农田 属性信息传感器、微处理器MSP430、 CC2420无线通信模块组成，微处理器MSP430的A/D接 口 、 IIC接口及普通接口接农田属性信息传感器的输出，微处理器MSP430的SPI接口输出与 CC2420无线通信模块输入相连，CC2420无线通信模块的输出与无线传感器网络相连；无线 传感器网络嵌入式网关节点单元2由太阳能/风能供电模块、CC2420接收模块、微处理器 ARM9、全球移动通信/通用分组无线系统GPRS发送模块组成，太阳能/风能供电模块为嵌 入式网关节点单元2提供所用的全部能源，CC2420接收模块与无线传感器网络无线连接， CC2420接收模块的输出与微处理器ARM9的SPI接口相连，GPRS发送模块与微处理器ARM9 的串行输出口相连，嵌入式网关节点单元2的GPRS发送模块与中国移动内网或Internet 无线相连；远程数据中心单元3由GPRS发送接收模块及数据处理计算机组成，GPRS发送接 收模块与数据处理计算机的串口相连，远程数据中心单元3的GPRS发送模块与中国移动内 网或Internet无线相连，远程数据中心单元3上运行数据处理、数据库等程序。
图2为基于无线传感器网络的远程农田污染区域监控系统的流程图。该系统包括 以下几个步骤 1、智能传感节点对农田参数指标进行采集； 2、智能传感器节点将采集到的数据以及其ID号发送到附近的网关节点； 3、网关节点利用GPRS无线通信把采集到的农田参数指标数据，智能传感器节点
ID号以及网关节点的IP地址发送到远程数据中心； 4、远程数据中心把网关节点的发送过来的数据存储到SQL2000数据库，并且对数 据进行处理； 5、判读采集到的农田参数指标是否大于农田系统的安全指标；如果小于农田系统
6的安全指标，重复步骤l ; 6、如果大于农田系统的安全指标，把智能传感节点的区域位置和污染指标参数显 示出来。 图3为农田污染区域监测平台结构图，分成监测数据采集系统，远程数据中心两 部分。监测数据采集系统由智能传感器节点和网关节点两部分组成。监测数据采集系统采 用传感器网络技术，数据融合技术，GPRS无线通信技术，利用智能传感节点实现对农区空气 二氧化氮、二氧化碳，土壤总锌、总镍、全盐、总氮、总磷、氟化物以及灌溉水大肠菌群数、总 锌、总硒、氮、磷、氟化物等参数指标的采集。将所有节点采集到数据最终路由到网关节点， 最后由网关节点将全部数据通过GPRS无线通信传输方式转发到远程数据中心。
远程数据中心利用信息技术制定或沿用统一的数据标准和元数据标准，统一数据 传输方式、传输协议和编码方式，构建基于VS2005. NET的开发、以SQL2000作为数据存取基 础的数据集成和管理系统，实现数据的接收、存储和时空分析。 图4为智能传感节点结构图，它主要由低功耗的微处理器MSP430单片机，无线射 频CC2420模块，传感器探测单元以供电单元4部分组成。 其中微处理器电路TI公司的MSP430F微控制器，MSP430F是美国TI公司最新推
出的超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机，是一款性价比极高的单片机；射频通信模
块采用无线射频CC2420模块。它采用Chipcon公司的SmartRF03技术，使用CMOS工艺生
产，工作电压低、能耗低、体积小，具有输出信号强度和收发频率可编程等特点。该芯片只需
晶体振荡器及负载电容、输入/输出匹配元件和电源去耦电容等很少的外部元件即可正常
工作，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其最大收发速率高达250kbps ;传感器探测单
元能实现对农区空气二氧化氮、二氧化碳，土壤总锌、总镍、全盐、总氮、总磷、氟化物以及灌
溉水大肠菌群数、总锌、总硒、氮、磷、氟化物等农田参数指标进行采集。 图5为网关节点结构图，它由处理器S3C2410， GPRS模块，无线射频CC2420模块，
嵌入式数据库等组成。 其中处理器选择了具有丰富的片上资源的ARM9微处理器S3C2410为核心，该芯片 基于ARM920T内核，采用5级流水线和哈佛结构，采用0. 18 y m CMOS标准单元结构，最大工 作频率能达到203MHz，不仅性能好、功耗低、集成度高，而且片内资源还十分丰富。
GPRS无线通信通过一个异步串行端口连接GPRS通讯模块SiemensMC35i，实现 GPRS远程数据通信自下而上完成驱动层、协议层和应用层的设计。在配置嵌入式Li皿x内 核时选中支持串口设备实现对MC35i模块的驱动；嵌入式Li皿x内核支持PPP(Point to Point Protocol)协议和TCP/IP协议，在编译Linux内核时选中支持这些选项；应用层在 网络连接建立后，具体实现向远程数据中心转发数据的功能。同时也可以根据用户的要求， 选择短信方式或者GPRS方式进行信息的传递。 嵌入式数据库存放在Nand Flash里，支持双文件系统格式，将只读文件系统 cramfs与可读写文件系统yaffs的结合，cramfs用来储存内核和系统文件，yaffs可读写 文件系统储存采集的数据，这样可以保证系统断电后数据的完整性。当智能传感节点向网 关节点上传数据时，系统对数据进行融合，这样的话可以减少数据冗余，提高数据的准确性 和节省能量的损失。
权利要求
一种无线传感器网络的农田污染区域监控系统，其特征在于包括有智能传感器节点单元(1)、网关节点单元(2)、远程数据中心单元(3)，其中网关节点单元(2)的输入端与智能传感器节点单元(1)的输出端无线连接，网关节点单元(2)的输出端与远程数据中心单元(3)的输入端无线连接。
2. 根据权利要求1所述的无线传感器网络的农田污染区域监控系统，其特征在于上述 智能传感器节点单元(1)为无线传感器网络智能传感器节点单元，网关节点单元(2)为无 线传感器网络嵌入式网关节点单元。
3. 根据权利要求1或2所述的无线传感器网络的农田污染区域监控系统，其特征在于 上述智能传感器节点单元(1)由农田属性信息传感器、信息采集控制器、无线通信模块组 成，信息采集控制器的输入接口与农田属性信息传感器的输出端连接，信息采集控制器的 输出接口与无线通信模块的输入端相连，无线通信模块的输出端与无线传感器网络相连。
4. 根据权利要求3所述的无线传感器网络的农田污染区域监控系统，其特征在于上述 信息采集控制器为微处理器MSP430，无线通信模块为射频模块CC2420，微处理器MSP430的 A/D接口、 nC接口及普通接口与农田属性信息传感器的输出端连接，微处理器MSP430的 SPI接口输出与射频模块CC2420的输入端相连，射频模块CC2420的输出端与无线传感器网 络相连。
5. 根据权利要求3所述的无线传感器网络的农田污染区域监控系统，其特征在于上 述所述网关节点单元(2)由供电模块、无线通信模块、嵌入式控制器、无线系统GPRS发送 模块，供电模块为嵌入式网关节点单元(2)提供所用的全部能源，无线通信模块的接收模 块与无线传感器网络无线连接，无线通信模块接收模块的输出与嵌入式控制器的输入端相 连，无线系统GPRS发送模块的输入端与嵌入式控制器的输出端相连，无线系统GPRS发送模 块的输出与中国移动内网或Internet无线相连。
6. 根据权利要求5所述的无线传感器网络的农田污染区域监控系统，其特征在于上述 供电模块为太阳能/风能供电模块，无线通信模块为射频接收模块CC2420、嵌入式控制器 为微处理器ARM9，无线系统GPRS发送模块为全球移动通信/通用分组无线系统GPRS发送 模块，太阳能/风能供电模块为嵌入式网关节点单元(2)提供所用的全部能源，射频接收模 块CC2420与无线传感器网络无线连接，射频接收模块CC2420的输出端与微处理器ARM9的 SPI接口相连，GPRS发送模块与微处理器ARM9的串行输出口相连，GPRS发送模块与中国移 动内网或Internet无线相连。
7. 根据权利要求1所述的无线传感器网络的农田污染区域监控系统，其特征在于上述 远程数据中心单元(3)由GPRS接收模块及远程监控主机组成，GPRS接收模块与远程监控 主机的串口相连，远程数据中心单元(3)的GPRS发送模块与中国移动内网或Internet无 线相连，远程数据中心单元(3)上运行数据处理、数据库等程序。
8. —种根据权利要求1所述无线传感器网络的农田污染区域监控系统的监控方法，其 特征在于包括如下步骤1) 智能传感器节点单元(1)实现对农区空气二氧化氮、二氧化碳，土壤总锌、总镍、全 盐、总氮、总磷、氟化物以及灌溉水大肠菌群数、总锌、总硒、氮、磷、氟化物等农田参数指标 进行采集；2) 智能传感器节点单元(1)采集到的农田参数指标数据以及智能传感器节点ID号发送到附近的网关节点单元(2)，网关节点单元(2)把采集到的数据存储下来，然后利用GPRS 无线通信把采集到的农田参数指标数据，智能传感器节点ID号以及网关节点的IP地址发 送到远程数据中心单元(3);3) 远程数据中心单元(3)把网关节点单元(2)的发送过来的数据存储到SQL2000数据 库，并把采集到的农田参数指标，智能传感器节点ID号以及网关节点的IP地址进行处理， 在用户界面显示出来；4) 当采集到的农田参数指标大于农田系统标准的安全指标时，系统根据网关的IP地 址以及智能传感器节点ID号查找到相应的智能传感器节点；把智能传感器节点单元(1)所 在的污染区域位置和污染指标参数显示出来。
全文摘要
本发明是一种无线传感器网络的农田污染区域监控系统及其监控方法。监控系统包括有智能传感器节点单元(1)、网关节点单元(2)、远程数据中心单元(3)，其中网关节点单元(2)的输入端与智能传感器节点单元(1)的输出端无线连接，网关节点单元(2)的输出端与远程数据中心单元(3)的输入端无线连接。本发明根据无线传感器网络在农业上广阔的应用前景，建立基于无线传感器网络的农田污染监控系统，提高农田污染信息采集的自动化程度及数据采集点的精确度，再组合适合于远程数据传输技术GPRS，即可远程地对农田污染区域进行大范围、远程、实时、精确的监控，本发明能够实现农田信息监测的自动化、网络化、智能化，方便用户管理农田，提高农田防污染、抗污染能力，保护生态环境。
文档编号H04W84/18GK101789167SQ20101001935
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者林观康, 程良伦 申请人:广东工业大学