专利名称：农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络数据获取方法技术领域，确切地说涉及一种面向 大范围农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法。
背景技术：
1、农田生态环境参数的传统测量方法
传统的农田生态环境参数信息的测量手段主要是地面实测为主。地面测量实验是研究 这些参数的重要组成部分，取样数目不足会造成样点数目过少而不具代表性，取样数目过 多又会造成人力物力浪费。目前地面实测的主要方法有直接测量法与间接测量法两类。(1)直接测量
包括计算纸法、纸重法、干重法、求积仪法、长宽系数法、叶面积仪法。通过按不同植物 种类“收割”植被样区内的叶量，再根据比叶面积(SLA)与叶生物量推算样区的叶面积指 数。直接测量法虽准确，但耗时费力操作复杂，只适用于小型或少量样区及矮小植被。(2)间接测量
借助各种光学测定仪(如LAI-2000，DEMON, TRAC, MVI等)来测量植物冠层间隙度并 通过相应公式得到最终的植物冠层叶面积指数。与直接测量法相比，间接法更易行且可用 于大范围及多种植被生态系统的测量，但由于它受到太阳光照及角度的制约，因而无法达 到直接测量的精准度。2、基于无线传感器网络的地面测量方法研究
目前无线传感器网络技术开始进入农业生态环境数据获取领域。农业应用一般是将传 感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确 地确定发生问题的位置。如
2002年英特尔公司率先在俄勒同州建立了第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡 萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡 萄可以健康生长，进而获得大丰收。日本国家农业总和研究所(NARO)研究的田间监测服务器(Field Server)利用 PICNIC提供自动化农业产品生产检测与田间信息收集手段。中国农业大学精细农业研究中心利用无线传感器网络技术设计了由土壤温湿度 监测网络和远程数据中心两部分组成的农田监测系统。提出了广域采集、实时传输、在线分 析的新型农田信息化管理集成化解决方案。实现了对土壤温湿度监测量的存储、时间变化 和空间变异分析，为研究农田时空变异性与决策灌溉提供有效工具。但是目前的技术存在如下问题成本较高；某些技术并不是真正意义上的无线传 感器网络；由于无线传感器网络的通信距离受限、自组织路由较复杂等原因，多数处于试验 性质，未能大规模部署。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种面向大范围农田生态环境信息的无线传 感器网络数据获取方法，本发明实现了大规模大面积农田生态环境信息数据的获取，能够 实时的查询数据，对节点进行控制，并且成本低。本发明是通过采用下述技术方案实现的
一种农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其特征在于包括若干个 监测区域，每个监测区域包含一个独立的基于IEEE802. 15.4的短距离无线通信网络，所 述短距离无线通信网络由一个长距离节点(Long-distance Node)和若干个短距离节点 (Short-distance Node)组成，短距离节点主要进行传感数据的采集，并自组织成一个 802. 15. 4网络，将采集到的数据发送到长距离节点；长距离节点具有两种无线通信协议 IEEE802. 15. 4和GPRS/GSM，长距离节点的MCU通过串口和GPRS模块相连负责与监控中心 建立GPRS/GSM通信，并与短距离节点进行IEEE802. 15. 4通信，同时，长距离节点采集传感 数据，所有采集的传感数据汇聚到长距离节点后，通过GPRS/GSM网络发到监控中心的服务 器，监控中心端有一个具有公网IP的服务器用以接收GPRS数据，和一个GPRS/GSM modem 来实现短信命令的发送和短信数据的接收。所述短距离无线通信网络的组网通信方式具体为短距离通信状态主要通过ZDO 状态机来控制，根据不同的节点类型执行不同的操作，在节点进行网络发现之后，长距离节 点只能建立一个网络，而短距离节点只能加入网络，如果组建网络失败或者是加入网络失 败，则都会重新回到网络发现的状态，反之，则会进入到正常运行状态，这个状态下可以接 收来自远程的命令，可以发送和接收数据包，如果节点离开，则将转为停止状态，在运行状 态如果收到命令短信，则开始长距离通信，包含了 GPRS的初始化，定义PDP上下文和附着到 GPRS网络，激活已经定义的PDP上下文，建立GPRS连接，发送GPRS数据，关闭GPRS连接，关 闭移动场景。所述的短距离无线通信网络是由长距离节点作为簇头发动并且建立的，长距离节 点首先进行信道扫描，采用一个空闲的信道，同时规定Cluste-Tree的拓扑参数，如最大的 儿子树(Cm)、最大层数(Lm)、路由算法、路由表生存期等，然后广播信标巾贞，临近设备收到 信标帧后就可以申请加入，长距离节点根据提交的子节点信息来判断是否允许设备加入， 一个节点加入网络后，可以从其父节点得到自己的网络地址以及长距离节点规定的拓扑参 数；
节点接收到数据帧后，如果目的地址为广播地址，则将重新广播该帧。如果不是广播 帧，则判断该帧的目的地址是否等于当前接收设备的地址，如果帧的目的地址等于当前设 备的地址，则网络层就把帧传递给上层处理；否则，当前接收设备就只是该帧的一个中间转 发设备，则根据情况进行对帧的转发，如果是子设备，则直接转发；如果不是则根据路由表 项进行转发，如果当前没有到达目的地址的路由表现，则根据算法判断是使用树形算法进 行路由发送，或者是根据AODVjr算法进行路由发现，然后转发该帧。长距离无线通信网络的组网通信方式选择GPRS和短信中的任意一种方式。所述GPRS方式具体为Sink节点上的MODEM在进行参数配置后，通过MODEM发送 短信到长距离节点，短信内容包括sink节点的自身IP地址以及命令头和其他必要信息；长距离节点接收到sink节点的短信后进行解析，登陆GPRS网络，按照命令的要求进入 采集过程或转发向短距离节点，再利用sink节点传来的IP地址和约定好端口号，使用GPRS 的UDP的通信方式向sink节点发送汇聚在长距离节点的数据，即长距离节点经过TCP/IP 协议转换生成包含数据信息的TCP/IP包，该TCP/IP包由长距离节点通过GPRS模块发射到 移动GPRS网络中；Sink节点通过GPRS MODEM接收长距离节点上传的数据。所述的短信通信方式具体为Sink节点上的MODEM在进行参数配置后，通过MODEM 发送短信到长距离节点，开始命令短信内容包含开始命令头、稀疏采集的次数，密集采集的 次数；
长距离节点接收到sink节点的短信后进行解析，按照命令的要求进入采集过程或将 命令转发给目的子节点，将采集到的数据通过短信发送到MODEM。根据数据采集需求，把1天作为一个周期，在全天M小时中的某一段时间每分钟 采集一次数据，称之为密集采集；其他时候每小时采集一次数据，称之为稀疏采集。节点在采集传感器的数据后，需存储一个周期的数据量，以便监控中心和客户提 取历史数据。数据上传采用GPRS方式，在每个采集时刻上实现把短距离传感器节点采集的数 据汇聚在长距离节点上后，再通过GPRS通信方式发向sink节点。数据上传采用短信方式，密集采集模式下，当长距离节点汇聚了五个采集时刻点 的数据，也就是密集采集五分钟的所有数据之后，用短信上传到MODEM，稀疏采集模式下，一 小时上传一次数据。与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下
本发明结合基于802. 15. 4的无线传感器网络和广域无线通信技术，将大面积农田监 测范围分为若干个相对独立的监测区域；同时把无线传感器网络中的节点分为短距离通 信节点和长距离通信节点，通过监测区域和两类节点的协同工作，形成一个传输距离更为 广阔的混合型无线网络。同时根据农业生态环境信息变化一般不显著的特点，出于节能和 配合卫星遥感数据等目的，设计并实现了稀疏/密集采集模式，实现了大面积农田生态环 境信息数据获取，并且能够实时的查询数据，对节点进行控制，以及在两种采集模式之间切 换，成本低，便于普遍推广。
下面将结合说明书附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明，其中 图1为本方法示意图
图2为长距离节点和短距离节点硬件功能模块图 图3为节点通信状态转换图 图4为短距离网络组网通信中基本路由算法流程图 图5为短距离网络组网通信中收到路由请求命令报文后的处理流程 图6为短距离网络组网通信中收到路由回复报文后的详细处理流程 图7为长距离网络组网通信GPRS方式总体流程图 图8为长距离网络组网通信GPRS方式即时命令处理图 图9为长距离网络组网通信短信方式总体流程10为长距离网络组网通信短信方式即时命令处理图
图11为稀疏/密集采集方式中采集时刻示意图
图12为稀疏/密集采集方式中节点编号示意图
图13为稀疏/密集采集模式中sink节点的短信命令格式图
图14为稀疏/密集采集模式中开始命令格式图
图15为稀疏/密集采集模式中长距离节点查询历史记录命令格式图
图16为稀疏/密集采集模式中短距离节点查询历史记录命令格式图
图17为稀疏/密集采集模式中读取一组传感器值命令格式图
图18为稀疏/密集采集模式中读取单个传感器值命令格式图
图19为稀疏/密集采集模式中读取一组节点的电压值命令格式图
图20为稀疏/密集采集模式中读取单个节点的电压值命令格式图
图21为稀疏/密集采集模式中读取一组短距离节点的信号强度命令格式图
图22为稀疏/密集采集模式中读取单个短距离节点的信号强度命令格式图
图23为稀疏/密集采集模式中读取长距离节点的802. 15. 4网络结构命令格式图
图M为稀疏/密集采集模式中重启长距离节点/短距离节点命令格式图
图25为GPRS方式下数据上传格式图
图沈为密集模式下长距离节点数据上传格式图
图27为稀疏模式下长距离节点数据上传格式图。
具体实施例方式本方法可以包含若干个监测区域。每个监测区域包含一个独立的基于 IEEE802. 15. 4的短距离无线通信网络，由一个长距离节点(Long-distance Node)和若干个 短距离节点(Short-distance Node)组成。短距离节点主要进行传感数据的采集，并自组 织成一个802. 15. 4网络，将采集到的数据发送到长距离节点。长距离节点具有两种无线通 信协议IEEE802. 15. 4和GPRS/GSM。它的MCU通过串口和GPRS模块相连负责与监控中心 建立GPRS/GSM通信，并与短距离节点进行IEEE802. 15. 4通信。同时，长距离节点也能采集 传感数据。所有节点传感器的数据汇聚到长距离节点后，通过GPRS/GSM网络发到监控中心 的服务器。监控中心端有一个具有公网IP的服务器用以接收GPRS数据，和一个GPRS/GSM modem来实现短信命令的发送和短信数据的接收。本方法总体设计图如图1所示。图2是长距离节点和短距离节点硬件功能框图，短距离节点只包含了除去虚线的 部分，长距离节点则包含了图中所有的模块。在电源设计方面，为了保证节点持续的供电， 我们采用了锂电池和太阳能电池板共同供电的方式。本方法中共包含了长距离通信和短距离通信两部分。长距离节点包含了两种通 信，而短距离节点则只包含了短距离通信部分。系统通信状态转换图如图3所示。短距离网络组网通信方式及实现
短距离通信状态主要通过ZDO状态机来控制，根据不同的节点类型执行不同的操作。 在节点进行网络发现之后，长距离节点只能建立一个网络，而短距离节点只能加入网络，如 果组建网络失败或者是加入网络失败，则都会重新回到网络发现的状态，反之，则会进入到 正常运行状态，这个状态下可以接收来自远程的命令，可以发送和接收数据包。如果节点离开，则将转为停止状态。在运行状态如果收到命令短信，则开始长距离通信，包含了 GPRS的 初始化，定义PDP上下文和附着到GPRS网络，激活已经定义的PDP上下文，建立GPRS连接， 发送GPRS数据，关闭GPRS连接，关闭移动场景等状态。短距离通信网络是由长距离节点作为簇头发动并且建立的。长距离节点首先进 行信道扫描，采用一个空闲的信道，同时规定Cluste-Tree的拓扑参数，如最大的儿子树 (Cm)、最大层数(Lm)、路由算法、路由表生存期等。然后广播信标帧，临近设备收到信标帧后 就可以申请加入。长距离节点根据提交的子节点信息来判断是否允许设备加入。一个节点 加入网络后，可以从其父节点得到自己的网络地址以及长距离节点规定的拓扑参数。节点接收到数据帧后，如果目的地址为广播地址，则将重新广播该帧。如果不是广 播帧，则判断该帧的目的地址是否等于当前接收设备的地址。如果帧的目的地址等于当前 设备的地址，则网络层就把帧传递给上层处理；否则，当前接收设备就只是该帧的一个中间 转发设备。则根据情况进行对帧的转发，如果是子设备，则直接转发；如果不是则根据路由 表项进行转发，如果当前没有到达目的地址的路由表现，则根据算法判断是使用树形算法 进行路由发送，或者是根据AODVjr算法进行路由发现，然后转发该帧。具体流程如图4所示ο该路由算法中设计了路由表、路由发现表和邻居表。这三个表的结构参见表1，2， 3。网络中的长距离节点和路由节点实现了对路由表和路由发现表的维护，所有节点都有一 个邻居表，每个节点根据当前网络的状态维护自己的邻居表。
权利要求
1.一种农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其特征在于包括若干个 监测区域，每个监测区域包含一个独立的基于IEEE802. 15. 4的短距离无线通信网络，所述 短距离无线通信网络由一个长距离节点和若干个短距离节点组成，短距离节点主要进行传 感数据的采集，并自组织成一个802. 15.4网络，将采集到的数据发送到长距离节点；长距 离节点具有两种无线通信协议IEEE802. 15. 4和GPRS/GSM，长距离节点的MCU通过串口和 GPRS模块相连负责与监控中心建立GPRS/GSM通信，并与短距离节点进行IEEE802. 15. 4通 信，同时，长距离节点采集传感数据，所有采集的传感数据汇聚到长距离节点后，通过GPRS/ GSM网络发到监控中心的服务器，监控中心端有一个具有公网IP的服务器用以接收GPRS数 据，和一个GPRS/GSM modem来实现短信命令的发送和短信数据的接收。
2.根据权利要求1所述的农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其特征 在于所述短距离无线通信网络的组网通信方式具体为短距离通信状态主要通过ZDO状 态机来控制，根据不同的节点类型执行不同的操作，在节点进行网络发现之后，长距离节点 只能建立一个网络，而短距离节点只能加入网络，如果组建网络失败或者是加入网络失败， 则都会重新回到网络发现的状态，反之，则会进入到正常运行状态，这个状态下可以接收来 自远程的命令，可以发送和接收数据包，如果节点离开，则将转为停止状态，在运行状态如 果收到命令短信，则开始长距离通信，包含了 GPRS的初始化，定义PDP上下文和附着到GPRS 网络，激活已经定义的PDP上下文，建立GPRS连接，发送GPRS数据，关闭GPRS连接，关闭移 动场景。
3.根据权利要求1或2所述的农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其 特征在于所述的短距离无线通信网络是由长距离节点作为簇头发动并且建立的，长距离 节点首先进行信道扫描，采用一个空闲的信道，同时规定Cluste-Tree的拓扑参数，然后广 播信标帧，临近设备收到信标帧后就可以申请加入，长距离节点根据提交的子节点信息来 判断是否允许设备加入，一个节点加入网络后，可以从其父节点得到自己的网络地址以及 长距离节点规定的拓扑参数；节点接收到数据帧后，如果目的地址为广播地址，则将重新广播该帧，如果不是广播 帧，则判断该帧的目的地址是否等于当前接收设备的地址，如果帧的目的地址等于当前设 备的地址，则网络层就把帧传递给上层处理；否则，当前接收设备就只是该帧的一个中间转 发设备，则根据情况进行对帧的转发，如果是子设备，则直接转发；如果不是则根据路由表 项进行转发，如果当前没有到达目的地址的路由表现，则根据算法判断是使用树形算法进 行路由发送，或者是根据AODVjr算法进行路由发现，然后转发该帧。
4.根据权利要求3所述的农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其特征 在于长距离无线通信网络的组网通信方式选择GPRS和短信中的任意一种方式。
5.根据权利要求4所述的农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其特征 在于所述GPRS方式具体为Sink节点上的MODEM在进行参数配置后，通过MODEM发送短 信到长距离节点，短信内容包括sink节点的自身IP地址以及命令头和其他必要信息；长距离节点接收到sink节点的短信后进行解析，登陆GPRS网络，按照命令的要求进入 采集过程或转发向短距离节点，再利用sink节点传来的IP地址和约定好端口号，使用GPRS 的UDP的通信方式向sink节点发送汇聚在长距离节点的数据，即长距离节点经过TCP/IP 协议转换生成包含数据信息的TCP/IP包，该TCP/IP包由长距离节点通过GPRS模块发射到移动GPRS网络中；Sink节点通过GPRS MODEM接收长距离节点上传的数据。
6.根据权利要求4所述的农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其特征 在于所述的短信通信方式具体为Sink节点上的MODEM在进行参数配置后，通过MODEM发 送短信到长距离节点，开始命令短信内容包含开始命令头、稀疏采集的次数，密集采集的次 数；长距离节点接收到sink节点的短信后进行解析，按照命令的要求进入采集过程或将 命令转发给目的子节点，将采集到的数据通过短信发送到MODEM。
7.根据权利要求4所述的农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其特征 在于根据数据采集需求，把1天作为一个周期，在全天M小时中的某一段时间每分钟采集 一次数据，称之为密集采集；其他时候每小时采集一次数据，称之为稀疏采集。
8.根据权利要求7所述的农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其特征 在于节点在采集传感器的数据后，存储一个周期的数据量。
9.根据权利要求8所述的农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其特征 在于数据上传采用GPRS方式，在每个采集时刻上实现把短距离传感器节点采集的数据汇 聚在长距离节点上后，再通过GPRS通信方式发向sink节点。
10.根据权利要求8所述的农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，其特 征在于数据上传采用短信方式，密集采集模式下，当长距离节点汇聚了五个采集时刻点的 数据，也就是密集采集五分钟的所有数据之后，用短信上传到MODEM，稀疏采集模式下，一小 时上传一次数据。
全文摘要
本发明公开了一种农田生态环境信息的无线传感器网络数据获取方法，涉及无线传感器网络数据获取方法技术领域，包括若干个监测区域，每个监测区域包含一个独立的基于IEEE802.15.4的短距离无线通信网络，所述短距离无线通信网络由一个长距离节点和若干个短距离节点组成，短距离节点主要进行传感数据的采集，并自组织成一个802.15.4网络，将采集到的数据发送到长距离节点；长距离节点具有两种无线通信协议IEEE802.15.4和GPRS/GSM。本发明实现了大规模大面积农田生态环境信息数据的获取，能够实时的查询数据，对节点进行控制，并且成本低。
文档编号H04W84/18GK102098801SQ201010607440
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者向渝, 唐勇, 张骏, 汪文勇 申请人:电子科技大学