专利名称：农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统及方法
技术领域：
本发明属于智能化农业技术领域，尤其是涉及一种农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统及方法。
背景技术：
目前农技工作人员对农作物 的生长状况统计仍然停留在现地实验和观察，手工填写纸制质量表，手工统计数据和计算机简单计算阶段。由于不同农技人员的知识结构、测量工具、操作步骤的不同，加上诸多主观因素，致使这种工作模式产生的数据缺乏统一的标准、时效性低、准确性差，对农业生产指导作用有限，同时，工作效率低，对操作人员的专业技术要求高，极大的限制了其在农业生产中的推广应用。许多农业相关科研单位在陆续开发面向精准农业的信息感知系统。但是，这些感知系统在实际应用中具有以下缺陷一是作用地域有限、适应性不强。例如，针对蔬菜大棚的地表湿度传感系统，针对花卉基地温度传感系统，还有只是进行田间图像采集的田间影像系统和微气象检测系统等，这些系统只是针对某个局部应用环境，适用范围十分有限，而且感知数据和感知参数固定，例如，蔬菜大棚专用的感知节点只对温度、湿度，花卉基地只对光照、温度，大田作物对土壤盐分、湿度等数据和参数比较重视。感知节点的环境适应性尤为脆弱，通常是在一定环境下可以正常使用，换一个不同的环境就不能正常工作，还没有出现能够灵活适应各种环境需要的、低成本、通用性相对较强的农作物生长环境信息实时感知系统。同时，现有智能农业用传感节点开发和研究面临窘境一传感器越多越好，节点散布越密越好。这样，无疑造成了数据冗余量急剧增大，数据挖掘能力又不够，致使花费宝贵资源采集来的数据基本没用，滚雪球一样地堆在数据库中，不知如何处理，这就存在“数据丰富而知识贫乏”的问题。另外，现有技术中，许多智能农业感知系统人机接口的科学性、动态性、互动性、人性化呈现能力不足。有些系统只是简单的以数值的形式输出给用户，输出形式过于简单，例如单独采用液晶屏显、提示音等简单的形式，这对大多数专业水平不高的用户来说实用性不强；综合运用GIS技术和矢量图形技术进行解决的较少，将感知信息和时空数据进行必要处理再图形化呈现给用户的更是少见；访问和交互方式都比较单一，只是采用软件客户端、web客户端、智能手机客户端技术解决方案中的一种。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计新颖合理、使用操作方便、智能化程度高、灵活性强、适用范围广的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于包括由布设在农作物生长环境中的多个组合式农作物生长环境感知节点组成的无线传感器网络和与多个所述组合式农作物生长环境感知节点无线连接并将多个组合式农作物生长环境感知节点所采集数据打包后上传的信息汇聚节点，以及与信息汇聚节点通过有线或无线方式连接并通信的数据服务系统和与数据服务系统通过有线或无线方式连接并通信的信息动态呈现系统，每个所述组合式农作物生长环境感知节点的输入端均接有对农作物生长环境信息实时感知的感知末端传感器；所述感知末端传感器为空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤盐分传感器、风向传感器、风速传感器、光照传感器、对运动物体距所述组合式农作物生长环境感知节点的距离进行采集的超声波传感器、对动植物热辐射进行采集的红外传感器、对声音进行采集的声音传感器、对人手接触进行感知的接近式传感器、对光线进行感知的光电开关和对农作物的叶面图像进行采集的图像采集器中的一个或多个的组合。上述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述无线传感器网络的数量为多个，所述信息汇聚节点由移动信息汇聚节点和固定信息汇聚节点构 成，所述移动信息汇聚节点和固定信息汇聚节点的数量均为一个或多个。上述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述组合式农作物生长环境感知节点包括感知节点供电电源、第一无线传输模块和FPGA芯片以及嵌A FPGA芯片内的中央处理器、A/D转换器和第一数据存储器，所述第一无线传输模块、A/D转换器和第一数据存储器均与所述中央处理器相接，所述中央处理器的输入端接有用于连接感知末端传感器的数字信号输入接口和图像信号输入接口，所述A/D转换器的输入端接有用于连接感知末端传感器的模拟信号输入接口，所述第一无线传输模块、中央处理器、A/D转换器和第一数据存储器均与所述感知节点供电电源相接。上述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述移动信息汇聚节点包括第一汇聚节点供电电源和第一微处理器模块，以及与第一微处理器模块相接的第二数据存储器、用于与第一无线传输模块无线连接并通信的第二无线传输模块和用于与固定信息汇聚节点无线连接并通信的第三无线传输模块；所述第一微处理器模块、第二数据存储器、第二无线传输模块和第三无线传输模块均与所述第一汇聚节点供电电源相接。上述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述固定信息汇聚节点包括第二汇聚节点供电电源和第二微处理器模块，以及与第二微处理器模块相接的第三数据存储器、用于与第三无线传输模块无线连接并通信的第四无线传输模块和用于与数据服务系统有线或无线连接并通信的通信电路模块；所述第二微处理器模块、第三数据存储器、第四无线传输模块和通信电路模块均与所述第二汇聚节点供电电源相接。上述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述数据服务系统包括Web服务器以及通过Internet网络或局域网与Web服务器相接并通信的环境感知信息库服务器、地理信息库服务器、农作物专家诊断系统服务器和管理中心服务器，所述环境感知信息库服务器通过有线或无线方式与信息汇聚节点连接并通信，所述Web服务器通过有线或无线方式与信息动态呈现系统连接并通信。上述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述信息动态呈现系统包括多台用于动态呈现农作物生长环境信息的信息动态呈现计算机和多部用于动态呈现农作物生长环境信息的信息动态呈现手机，多台所述信息动态呈现计算机均通过Internet网络或局域网与数据服务系统连接并通信，多部所述信息动态呈现手机均通过Internet网络和3G蜂窝通信网络与数据服务系统无线连接并通信。本发明还提供了一种数据处理能力强、时效性高、准确度高、访问和交互方式多样化、推广应用价值高的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、农作物生长环境信息的实时采集通过多个所述组合式农作物生长环境感知节点分别对所述感知末端传感器所实时感知到的农作物生长环境信息进行实时采集，且多个所述组合式农作物生长环境感知节点以自组网方式组织成无线传感器网络，同时多个所述组合式农作物生长环境感知节点所采集数据周期性地传送至相应的移动信息汇聚节点，移动信息汇聚节点再将其接收到的数据传送至相应的固定信息汇聚节点；步骤二、农作物生长环境信息的实时上传通过所述固定信息汇聚节点将无线传感器网络内所有组合式农作物生长环境感知节点所采集数据打包后发送至数据服务系统； 步骤三、农作物生长环境信息的分析处理通过所述数据服务系统接收各个固定信息汇聚节点所发送的数据，对数据进行存储及分析处理后得到农作物生长环境信息并存储，其具体过程如下步骤301、数据接收及存储所述环境感知信息库服务器接收各个固定信息汇聚节点所发送的数据，并按照组合式农作物生长环境感知节点的ID将数据存储在该组合式农作物生长环境感知节点的感知信息原始表中；所述感知信息原始表预先存储在所述环境感知信息库服务器中；步骤302、奇异值消除处理所述环境感知信息库服务器调用奇异值消除处理模块且按照替代资源方法对各个组合式农作物生长环境感知节点所采集数据分别进行奇异值消除处理；步骤303、归一化处理所述环境感知信息库服务器调用归一化处理模块对经奇异值消除处理后的各个组合式农作物生长环境感知节点所采集数据分别进行归一化处理；步骤304、属性约简处理所述环境感知信息库服务器调用属性约简处理模块且按照粗糙集属性约简方法对经归一化处理后的各个组合式农作物生长环境感知节点所采集数据分别进行属性约简处理；步骤305、数据融合所述环境感知信息库服务器调用数据融合处理模块且按照自适应加权数据融合算法对各个组合式农作物生长环境感知节点所采集数据进行数据融合，得到农作物生长环境信息并进行存储；步骤四、农作物生长环境信息的判断及判断结果的显示所述管理中心服务器调用预先存储在农作物专家诊断系统服务器中的农作物专家诊断系统实对步骤305中得到的农作物生长环境信息进行分析处理判断，得出农作物生长环境信息优、良、中、差的判断结果并对判断结果进行显示；步骤五、农作物生长环境信息的动态呈现多次重复步骤一至步骤四，完成时间段t内农作物生长环境信息的多次判断，然后，所述管理中心服务器调用折线图绘制模块、饼状图绘制模块或柱状图绘制模块，将时间段t内农作物生长环境信息的多次判断结果绘制成折线图、饼状图或柱状图，并与预先存储在地理信息库服务器中的农作物生长环境地理信息数据相叠加，得到叠加后的农作物生长环境动态电子地图并通过Web服务器发送到信息动态呈现系统上进行动态显示。上述的方法，其特征在于步骤二中通过所述信息汇聚节点将无线传感器网络内所有组合式农作物生长环境感知节点所采集数据打包后发送至数据服务系统的具体过程如下 步骤201、通过所述移动信息汇聚节点判断在移动信息汇聚节点的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点无线通信的组合式农作物生长环境感知节点的数量；步骤202、当判断得出所述移动信息汇聚节点的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点无线通信的组合式农作物生长环境感知节点的数量不足6个时，所述移动信息汇聚节点调用轮询通信模块并按照轮询通信方式遍历其无线信号覆盖范围内的组合式农作物生长环境感知节点，依次接收各个组合式农作物生长环境感知节点所传送的数据并将所有组合式农作物生长环境感知节点所采集数据打包后发送给固定信息汇聚节点；当判断得出所述信息汇聚节点的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点无线通信的组合式农作物生长环境感知节点的数量多于6个且不足120个时，所述移动信息汇聚节点调用跳频通信模块并按照跳频通信方式接收各个组合式农作物生长环境感知节点所传送的数据，并将所有组合式农作物生长环境感知节点所采集数据打包后发送给固定信息汇聚节点；当判断得出所述移动信息汇聚节点的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点无线通信的组合式农作物生长环境感知节点的数量多于120个时，首先，所述移动信息汇聚节点调用优先抢占节点设置模块并将多个所述组合式农作物生长环境感知节点中的关键几个设置为优先抢占节点，其余节点为非优先抢占节点；然后，所述移动信息汇聚节点调用跳频通信模块并按照跳频通信方式接收各个组合式农作物生长环境感知节点所传送的数据，并将所有组合式农作物生长环境感知节点所采集数据打包后发送给固定信息汇聚节点，在进行跳频通信的过程中，当发生信道抢占时，非优先抢占节点收到优先抢占节点发出的数据帧就主动避让，优先保证优先抢占节点数据的传送；步骤203、所述固定信息汇聚节点接收所述移动信息汇聚节点发送的数据并进行打包后发送给数据服务系统。上述的方法，其特征在于步骤302中所述环境感知信息库服务器调用奇异值消除处理模块且按照替代资源方法对各个组合式农作物生长环境感知节点所采集数据分别进行奇异值消除处理的过程如下步骤3021、所述环境感知信息库服务器调用奇异值判断模块判断组合式农作物生长环境感知节点的感知信息是否是奇异值并得出判断结果；步骤3022、当判断得出组合式农作物生长环境感知节点的感知信息是奇异值时，所述环境感知信息库服务器按照组合式农作物生长环境感知节点的位置属性在容差范围内搜寻其它组合式农作物生长环境感知节点，当搜索到其它组合式农作物生长环境感知节点时，用搜索到的毗邻组合式农作物生长环境感知节点的感知信息替代奇异值的感知信息，然后，所述环境感知信息库服务器输出奇异值消除信息；当搜索不到其它组合式农作物生长环境感知节点时，通过所述管理中心服务器发出告警信号；
反之，当判断得出组合式农作物生长环境感知节点的感知信息不是奇异值时，所述管理中心服务器输出奇异值消除信息。本发明与现有技术相比具有以下优点I、本发明提出的组合式农作物生长环境感知节点的可感知信息种类多，部署灵活，能根据不同的用户需求进行灵活增减部署接在其输入端的感知末端传感器，有效解决了现有感知系统适应性不强的问题；而且，组合过程中，可选方案多样，操作简单，只须对节点配置方式进行剪裁，对节点的初始化配置可自动完成。2、本发明采用了标准化的感知末端传感器实时感知农作物生长环境信息，能有效克服传统测量手段的人为因素影响，确保数据的科学性、准确性和时效性。3、本发明提出的信息汇聚节点由移动信息汇聚节点和固定信息汇聚节点构成，具有良好的移动性支持，信息汇聚节点组成的网络健壮性强，解决了其它感知系统只能固定 部署的问题，在不影响系统准确性和可靠性情况下，最大程度地满足了系统的灵活性需要。4、本发明采用了轮询通信方式、跳频通信方式和优先级抢占等多样化信道共享模式，能根据对某种信息的实时性要求级别设置其传送的优先级，保证在恶劣的无线条件环境下对用户主要关注信息的可靠传输。5、本发明中的管理中心服务器采用预先存储在农作物专家诊断系统服务器中的农作物专家诊断系统对农作物生长环境信息进行分析处理判断，信息处理速度快，能够满足信息实时处理的要求，具有自学习和自组织功能，能适应检测环境的不断变化和检测信息的不确定性。6、本发明中将农作物生长环境信息的判断结果与预先存储在地理信息库服务器中的农作物生长环境地理信息数据相叠加后输出，信息动态呈现系统能够形象、直观地呈现出叠加后的农作物生长环境动态电子地图，大大增加了本系统信息受众的范围。7、本发明中的组合式农作物生长环境感知节点还具有功耗小、易维护、节省硬件资源、成本低等优势，便于大范围地部署，具有较好的实际推广应用价值。8、本发明中的信息动态呈现系统包括多台用于动态呈现农作物生长环境信息的信息动态呈现计算机和多部用于动态呈现农作物生长环境信息的信息动态呈现手机，访问和交互方式更加多样化。综上所述，本发明设计新颖合理，使用操作方便，智能化程度高，灵活性强，时效性强，准确度高，工作效率高，访问和交互方式多样化，适用范围广，推广应用价值高。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图I为本发明农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统的电路框图。图2为本发明组合式农作物生长环境感知节点的电路原理框图。图3为本发明移动信息汇聚节点的电路原理框图。图4为本发明固定信息汇聚节点的电路原理框图。图5为本发明农作物生长环境信息实时感知和动态呈现方法的方法流程图。附图标记说明I一组合式农作物生长环境感知节点；1-1 一感知节点供电电源；
1-2—第一无线传输模块；1-3 — FPGA芯片；1-31—中央处理器；1-32—A/D转换器；1-33—第一数据存储器；1-4 一数字信号输入接口；1-5—图像信号输入接口 ；1-6—模拟信号输入接口 ；2—无线传感器网络；3—信息汇聚节点；3-1—移动信息汇聚节点；3-11—第一汇聚节点供电电源；3-12一第一微处理器模块；3-13—第二无线传输模块；3-14—第三无线传输模块；3-15—第二数据存储器； 3-2—固定信息汇聚节点；3-21—第二汇聚节点供电电源；3-22—第二微处理器模块；3-23—第四无线传输模块；3-24—第三无线传输模块；3-25—第三数据存储器；4一数据服务系统；4-1一Web服务器；4-2—环境感知信息库服务器；4-3—地理信息库服务器；4-4一农作物专家诊断系统服务器；4-5—管理中心服务器；5_ "[目息动态呈现系统；5_1_ "[目息动态呈现计算机；5~2一"[目息动态呈现手机；6—感知末端传感器。
具体实施例方式如图I所示，本发明所述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，包括由布设在农作物生长环境中的多个组合式农作物生长环境感知节点I组成的无线传感器网络2和与多个所述组合式农作物生长环境感知节点I无线连接并将多个组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据打包后上传的信息汇聚节点3，以及与信息汇聚节点3通过有线或无线方式连接并通信的数据服务系统4和与数据服务系统4通过有线或无线方式连接并通信的信息动态呈现系统5，每个所述组合式农作物生长环境感知节点I的输入端均接有对农作物生长环境信息实时感知的感知末端传感器6 ;所述感知末端传感器6为空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤盐分传感器、风向传感器、风速传感器、光照传感器、对运动物体距所述组合式农作物生长环境感知节点I的距离进行采集的超声波传感器、对动植物热辐射进行采集的红外传感器、对声音进行采集的声音传感器、对人手接触进行感知的接近式传感器、对光线进行感知的光电开关和对农作物的叶面图像进行采集的图像采集器中的一个或多个的组合。本实施例中，所述无线传感器网络2的数量为多个，所述信息汇聚节点3由移动信息汇聚节点3-1和固定信息汇聚节点3-2构成，所述移动信息汇聚节点3-1和固定信息汇聚节点3-2的数量均为一个或多个。结合图2，本实施例中，所述组合式农作物生长环境感知节点I包括感知节点供电电源1-1、第一无线传输模块1-2、FPGA芯片1-3以及嵌入FPGA芯片1_3内的中央处理器1-31、A/D转换器1-32和第一数据存储器1-33，所述第一无线传输模块1_2、A/D转换器1-32和第一数据存储器1-33均与所述中央处理器1-31相接，所述中央处理器1-31的输入端接有用于连接感知末端传感器6的数字信号输入接口 1-4和图像信号输入接口 1-5，所述A/D转换器1-32的输入端接有用于连接感知末端传感器6的模拟信号输入接口 1-6，所述第一无线传输模块1-2、中央处理器1-31、A/D转换器1-32和第一数据存储器1-33均与所述感知节点供电电源1-1相接。结合图3，本实施例中，所述移动信息汇聚节点3-1包括第一汇聚节点供电电源3-11和第一微处理器模块3-12，以及与第一微处理器模块3-12相接的第二数据存储器3-15、用于与第一无线传输模块1-2线连接并通信的第二无线传输模块3-13和用于与固定信息汇聚节点3-2无线连接并通信的第三无线传输模块3-14 ;所述第一微处理器模块3-12、第二数据存储器3-15、第二无线传输模块3-13和第三无线传输模块3-14均与所述第一汇聚节点供电电源3-11相接。结合图4，本实施例中，所述固定信息汇聚节点3-2包括第二汇聚节点供电电源3-21和第二微处理器模块3-22，以及与第二微处理器模块3-22相接的第三 数据存储器
3-25、用于与第三无线传输模块3-24线连接并通信的第四无线传输模块3-23和用于与数据服务系统4有线或无线连接并通信的通信电路模块3-24 ;所述第二微处理器模块3-22、第三数据存储器3-25、第四无线传输模块3-23和通信电路模块3-24均与所述第二汇聚节点供电电源3-21相接。具体地，本实施例中，所述第一微处理器模块3-12和第二微处理器模块3-22均为DSP数字信号处理器。本实施例中，所述数据服务系统4包括Web服务器4-1以及通过Internet网络或局域网与Web服务器4-1相接并通信的环境感知信息库服务器4-2、地理信息库服务器
4-3、农作物专家诊断系统服务器4-4和管理中心服务器4-5，所述环境感知信息库服务器4-2通过有线或无线方式与信息汇聚节点3连接并通信，所述Web服务器4-1通过有线或无线方式与信息动态呈现系统5连接并通信。所述信息动态呈现系统5包括多台用于动态呈现农作物生长环境信息的信息动态呈现计算机5-1和多部用于动态呈现农作物生长环境信息的信息动态呈现手机5-2，多台所述信息动态呈现计算机5-1均通过Internet网络或局域网与数据服务系统4连接并通信，多部所述信息动态呈现手机5-2均通过Internet网络和3G蜂窝通信网络与数据服务系统4无线连接并通信。结合图5，本发明所述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现方法，包括以下步骤步骤一、农作物生长环境信息的实时采集通过多个所述组合式农作物生长环境感知节点I分别对所述感知末端传感器6所实时感知到的农作物生长环境信息进行实时采集，且多个所述组合式农作物生长环境感知节点I以自组网方式组织成无线传感器网络2，同时多个所述组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据周期性地传送至相应的移动信息汇聚节点3-1，移动信息汇聚节点3-1再将其接收到的数据传送至相应的固定信息汇聚节点3-2 ；步骤二、农作物生长环境信息的实时上传通过所述固定信息汇聚节点3-2将无线传感器网络2内所有组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据打包后发送至数据服务系统4 ；本实施例中，步骤二中通过所述信息汇聚节点3将无线传感器网络2内所有组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据打包后发送至数据服务系统4的具体过程如下步骤201、通过所述移动信息汇聚节点3-1判断在移动信息汇聚节点3-1的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点3-1无线通信的组合式农作物生长环境感知节点I的
数量；步骤202、当判断得出所述移动信息汇聚节点3-1的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点3-1无线通信的组合式农作物生长环境感知节点I的数量不足6个时，所述移动信息汇聚节点3-1调用轮询通信模块并按照轮询通信方式遍历其无线信号覆盖范围内的组合式农作物生长环境感知节点1，依次接收各个组合式农作物生长环境感知节点I所传送的数据并将所有组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据打包后发送给固定信息汇聚节点3-2 ；当判断得出所述信息汇聚节点3的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点3-1无线通信的组合式农作物生长环境感知节点I的数量多于6个且不足120个时，所述移动信息汇聚节点3-1调用跳频通信模块并按照跳频通信方式接收各个组合式农作物生长环境感知节点I所传送的数据，并将所有组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据打 包后发送给固定信息汇聚节点3-2 ；当判断得出所述移动信息汇聚节点3-1的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点3-1无线通信的组合式农作物生长环境感知节点I的数量多于120个时，首先，所述移动信息汇聚节点3-1调用优先抢占节点设置模块并将多个所述组合式农作物生长环境感知节点I中的关键几个设置为优先抢占节点，其余节点为非优先抢占节点；然后，所述移动信息汇聚节点3-1调用跳频通信模块并按照跳频通信方式接收各个组合式农作物生长环境感知节点I所传送的数据，并将所有组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据打包后发送给固定信息汇聚节点3-2，在进行跳频通信的过程中，当发生信道抢占时，非优先抢占节点收到优先抢占节点发出的数据帧就主动避让，优先保证优先抢占节点数据的传送；具体实施时，所述移动信息汇聚节点3-1采用分布在2. 4GHz周围(无线免费频段)的6个不同频率范围的通信信道与组合式农作物生长环境感知节点I进行通信，且6个不同频率范围的通信信道按照频率从低到高依次编号为信道0 信道5。所述移动信息汇聚节点3-1调用跳频通信模块并按照跳频通信方式接收各个组合式农作物生长环境感知节点I所传送数据的具体过程是所述移动信息汇聚节点3-1从6个不同频率范围的通信信道中固定选择一个频率范围的信道(一般是6个不同频率范围的通信信道中频率最低的信道，即信道0)用于传输移动信息汇聚节点3-1和各个组合式农作物生长环境感知节点I的同步信号和控制信号，另外5个信道用于传输各个组合式农作物生长环境感知节点I所传送的数据，且另外5个信道按照组合式农作物生长环境感知节点I通过信道0向移动信息汇聚节点3-1传输的非“0”的随机数进行使用。具体地，多个组合式农作物生长环境感知节点I中的一个通过信道0向移动信息汇聚节点3-1发送一个非“0”的随机数，该移动信息汇聚节点3-1接收该随机数并从跳频通信表中选择出与该非“0”的随机数所对应的跳频序列发送给该组合式农作物生长环境感知节点1，该组合式农作物生长环境感知节点I就利用这个跳频序列同该移动信息汇聚节点3-1实施跳频通信。其中，每个非“0”的随机数都对应有一个跳频序列，所述跳频通信表的构建方法如下将每个通信周期分为5个时间段，对于第一个通信周期的第一个时间段，有5个信道供选择，选择了一个信道后，为了避免干扰，后面的时间段就不再选择这个信道了，这样，对于第二个时间段就有4个信道供选择，依次类推，按照这种方式计算，跳频通信表共能产生5 X 4 X 3 X 2 X 1=120个序列，也就是说这种通信方式最多能容纳120个组合式农作物生长环境感知节点I。这些组合式农作物生长环境感知节点I可以按照跳频序列周期性地使用5个通信信道进行数据传输。所述移动信息汇聚节点3-1调用优先抢占节点设置模块并将多个所述组合式农作物生长环境感知节点I中的关键几个设置为优先抢占节点，其方法是多个所述组合式农作物生长环境感知节点I中的关键几个通过信道O向移动信息汇聚节点3-1传输数据“0”，非优先抢占节点在从信道O收到数据“O”所对应的跳频序列时，在10秒内不向移动信息汇聚节点3-1发送信道使用请求，正在发送数据的非优先抢占节点立刻中止数据发送，10秒后再重新传送，这样，就保证了优先抢占节点数据的传送。步骤203、所述固定信息汇聚节点3-2接收所述移动信息汇聚节点3_1发送的数据并进行打包后发送给数据服务系统4。步骤三、农作物生长环境信息的分析处理通过所述数据服务系统4接收各个固定信息汇聚节点3-2所发送的数据，对数据进行存储及分析处理后得到农作物生长环境信 息并存储，其具体过程如下步骤301、数据接收及存储所述环境感知信息库服务器4-2接收各个固定信息汇聚节点3-2所发送的数据，并按照组合式农作物生长环境感知节点I的ID将数据存储在该组合式农作物生长环境感知节点I的感知信息原始表中；所述感知信息原始表预先存储在所述环境感知信息库服务器4-2中；步骤302、奇异值消除处理所述环境感知信息库服务器4-2调用奇异值消除处理模块且按照替代资源方法对各个组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据分别进行奇异值消除处理；本实施例中，步骤302中所述环境感知信息库服务器4-2调用奇异值消除处理模块且按照替代资源方法对各个组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据分别进行奇异值消除处理的过程如下步骤3021、所述环境感知信息库服务器4-2调用奇异值判断模块判断组合式农作物生长环境感知节点I的感知信息是否是奇异值并得出判断结果；步骤3022、当判断得出组合式农作物生长环境感知节点I的感知信息是奇异值时，所述环境感知信息库服务器4-2按照组合式农作物生长环境感知节点I的位置属性在容差范围内搜寻其它组合式农作物生长环境感知节点1，当搜索到其它组合式农作物生长环境感知节点I时，用搜索到的毗邻组合式农作物生长环境感知节点I的感知信息替代奇异值的感知信息，然后，所述环境感知信息库服务器4-2输出奇异值消除信息；当搜索不到其它组合式农作物生长环境感知节点I时，通过所述管理中心服务器4-5发出告警信号；反之，当判断得出组合式农作物生长环境感知节点I的感知信息不是奇异值时，所述管理中心服务器4-5输出奇异值消除信息。步骤303、归一化处理所述环境感知信息库服务器4-2调用归一化处理模块对经奇异值消除处理后的各个组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据分别进行归一化处理；步骤304、属性约简处理所述环境感知信息库服务器4-2调用属性约简处理模块且按照粗糙集属性约简方法对经归一化处理后的各个组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据分别进行属性约简处理；步骤305、数据融合所述环境感知信息库服务器4-2调用数据融合处理模块且按照自适应加权数据融合算法对各个组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据进行数据融合，得到农作物生长环境信息并进行存储；本实施例中，步骤305中所述环境感知信息库服务器4-2调用数据融合处理模块且按照自适应加权数据融合算法对各个组合式农作物生长环境感知节点I所采集数据进行数据融合的过程如下步骤3051、构造自适应加权融合估计模型设η个感知末端传感器6中η个某一环境变量传感器对某一环境变量(例如空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、土壤盐分、风向、风速或光照中的一种)的测量值分别为Xl，x2，-,xn,且Xl，x2，…，Xn彼此相互独立，所要估计的真值为X，各个某一环境变量传感器的加权因子分别SW1J2，…，Wn，融合后的
值和加权因子满足公式
权利要求
1.一种农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统,其特征在于包括由布设在农作物生长环境中的多个组合式农作物生长环境感知节点(I)组成的无线传感器网络(2)和与多个所述组合式农作物生长环境感知节点(I)无线连接并将多个组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据打包后上传的信息汇聚节点(3)，以及与信息汇聚节点(3)通过有线或无线方式连接并通信的数据服务系统(4)和与数据服务系统(4)通过有线或无线方式连接并通信的信息动态呈现系统(5)，每个所述组合式农作物生长环境感知节点(I)的输入端均接有对农作物生长环境信息实时感知的感知末端传感器(6);所述感知末端传感器(6)为空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤盐分传感器、风向传感器、风速传感器、光照传感器、对运动物体距所述组合式农作物生长环境感知节点(I)的距离进行采集的超声波传感器、对动植物热辐射进行采集的红外传感器、对声音进行采集的声音传感器、对人手接触进行感知的接近式传感器、对光线进行感知的光电开关和对农作物的叶面图像进行采集的图像采集器中的一个或多个的组合。
2.按照权利要求I所述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述无线传感器网络(2)的数量为多个，所述信息汇聚节点(3)由移动信息汇聚节点(3-1)和固定信息汇聚节点(3-2)构成，所述移动信息汇聚节点(3-1)和固定信息汇聚节点(3-2)的数量均为一个或多个。
3.按照权利要求2所述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述组合式农作物生长环境感知节点(I)包括感知节点供电电源(1-1)、第一无线传输模块(1-2)和FPGA芯片(1-3)以及嵌入FPGA芯片(1_3)内的中央处理器(1_31 )、A/D转换器(1-32)和第一数据存储器(1-33)，所述第一无线传输模块(1-2)、A/D转换器(1_32)和第一数据存储器(1-33)均与所述中央处理器(1-31)相接，所述中央处理器(1-31)的输入端接有用于连接感知末端传感器(6)的数字信号输入接口(1-4)和图像信号输入接口(1-5)，所述A/D转换器(1-32)的输入端接有用于连接感知末端传感器(6)的模拟信号输入接口(1-6)，所述第一无线传输模块(1-2)、中央处理器(1-31 )、A/D转换器(1-32)和第一数据存储器(1-33)均与所述感知节点供电电源(1-1)相接。
4.按照权利要求3所述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述移动信息汇聚节点(3-1)包括第一汇聚节点供电电源(3-11)和第一微处理器模块(3-12)，以及与第一微处理器模块(3-12)相接的第二数据存储器(3-15)、用于与第一无线传输模块(1-2)无线连接并通信的第二无线传输模块(3-13)和用于与固定信息汇聚节点(3-2)无线连接并通信的第三无线传输模块(3-14);所述第一微处理器模块(3-12)、第二数据存储器(3-15)、第二无线传输模块(3-13)和第三无线传输模块(3-14)均与所述第一汇聚节点供电电源(3-11)相接。
5.按照权利要求4所述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述固定信息汇聚节点(3-2)包括第二汇聚节点供电电源(3-21)和第二微处理器模块(3-22)，以及与第二微处理器模块(3-22)相接的第三数据存储器(3-25)、用于与第三无线传输模块(3-24)无线连接并通信的第四无线传输模块(3-23)和用于与数据服务系统(4)有线或无线连接并通信的通信电路模块(3-24);所述第二微处理器模块(3-22)、第三数据存储器(3-25)、第四无线传输模块(3-23)和通信电路模块(3-24)均与所述第二汇聚节点供电电源(3-21)相接。
6.按照权利要求2所述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述数据服务系统(4)包括Web服务器(4-1)以及通过Internet网络或局域网与Web服务器(4-1)相接并通信的环境感知信息库服务器(4-2)、地理信息库服务器(4-3)、农作物专家诊断系统服务器(4-4)和管理中心服务器(4-5)，所述环境感知信息库服务器(4-2)通过有线或无线方式与信息汇聚节点(3 )连接并通信，所述Web服务器(4-1)通过有线或无线方式与信息动态呈现系统(5)连接并通信。
7.按照权利要求I或2所述的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统，其特征在于所述信息动态呈现系统(5)包括多台用于动态呈现农作物生长环境信息的信息动态呈现计算机(5-1)和多部用于动态呈现农作物生长环境信息的信息动态呈现手机(5-2)，多台所述信息动态呈现计算机(5-1)均通过Internet网络或局域网与数据服务系统(4)连接并通信，多部所述信息动态呈现手机(5-2)均通过Internet网络和3G蜂窝通信网络与数据服务系统(4 )无线连接并通信。
8.一种利用如权利要求6所述系统的农作物生长环境信息实时感知和动态呈现方法，其特征在于该方法包括以下步骤 步骤一、农作物生长环境信息的实时采集通过多个所述组合式农作物生长环境感知节点(I)分别对所述感知末端传感器(6)所实时感知到的农作物生长环境信息进行实时采集，且多个所述组合式农作物生长环境感知节点(I)以自组网方式组织成无线传感器网络(2)，同时多个所述组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据周期性地传送至相应的移动信息汇聚节点(3-1)，移动信息汇聚节点(3-1)再将其接收到的数据传送至相应的固定信息汇聚节点(3-2)； 步骤二、农作物生长环境信息的实时上传通过所述固定信息汇聚节点(3-2)将无线传感器网络(2)内所有组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据打包后发送至数据服务系统(4)； 步骤三、农作物生长环境信息的分析处理通过所述数据服务系统(4)接收各个固定信息汇聚节点(3-2)所发送的数据，对数据进行存储及分析处理后得到农作物生长环境信息并存储，其具体过程如下 步骤301、数据接收及存储所述环境感知信息库服务器(4-2)接收各个固定信息汇聚节点(3-2)所发送的数据，并按照组合式农作物生长环境感知节点(I)的ID将数据存储在该组合式农作物生长环境感知节点(I)的感知信息原始表中；所述感知信息原始表预先存储在所述环境感知信息库服务器(4-2)中； 步骤302、奇异值消除处理所述环境感知信息库服务器(4-2)调用奇异值消除处理模块且按照替代资源方法对各个组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据分别进行奇异值消除处理； 步骤303、归一化处理所述环境感知信息库服务器(4-2)调用归一化处理模块对经奇异值消除处理后的各个组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据分别进行归一化处理； 步骤304、属性约简处理所述环境感知信息库服务器(4-2)调用属性约简处理模块且按照粗糙集属性约简方法对经归一化处理后的各个组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据分别进行属性约简处理；步骤305、数据融合所述环境感知信息库服务器(4-2)调用数据融合处理模块且按照自适应加权数据融合算法对各个组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据进行数据融合，得到农作物生长环境信息并进行存储； 步骤四、农作物生长环境信息的判断及判断结果的显示所述管理中心服务器(4-5)调用预先存储在 农作物专家诊断系统服务器(4-4)中的农作物专家诊断系统实对步骤305中得到的农作物生长环境信息进行分析处理判断，得出农作物生长环境信息优、良、中、差的判断结果并对判断结果进行显示； 步骤五、农作物生长环境信息的动态呈现多次重复步骤一至步骤四，完成时间段t内农作物生长环境信息的多次判断，然后，所述管理中心服务器(4-5)调用折线图绘制模块、饼状图绘制模块或柱状图绘制模块，将时间段t内农作物生长环境信息的多次判断结果绘制成折线图、饼状图或柱状图，并与预先存储在地理信息库服务器(4-3)中的农作物生长环境地理信息数据相叠加，得到叠加后的农作物生长环境动态电子地图并通过Web服务器(4-1)发送到信息动态呈现系统(5)上进行动态显示。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于步骤二中通过所述信息汇聚节点(3)将无线传感器网络(2)内所有组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据打包后发送至数据服务系统(4)的具体过程如下 步骤201、通过所述移动信息汇聚节点(3-1)判断在移动信息汇聚节点(3-1)的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点(3-1)无线通信的组合式农作物生长环境感知节点(O的数量； 步骤202、当判断得出所述移动信息汇聚节点(3-1)的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点(3-1)无线通信的组合式农作物生长环境感知节点(I)的数量不足6个时，所述移动信息汇聚节点(3-1)调用轮询通信模块并按照轮询通信方式遍历其无线信号覆盖范围内的组合式农作物生长环境感知节点(1)，依次接收各个组合式农作物生长环境感知节点(I)所传送的数据并将所有组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据打包后发送给固定信息汇聚节点(3-2)； 当判断得出所述信息汇聚节点(3)的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点(3-1)无线通信的组合式农作物生长环境感知节点(I)的数量多于6个且不足120个时，所述移动信息汇聚节点(3-1)调用跳频通信模块并按照跳频通信方式接收各个组合式农作物生长环境感知节点(I)所传送的数据，并将所有组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据打包后发送给固定信息汇聚节点(3-2)； 当判断得出所述移动信息汇聚节点(3-1)的无线信号覆盖范围内能与移动信息汇聚节点(3-1)无线通信的组合式农作物生长环境感知节点(I)的数量多于120个时，首先，所述移动信息汇聚节点(3-1)调用优先抢占节点设置模块并将多个所述组合式农作物生长环境感知节点(I)中的关键几个设置为优先抢占节点，其余节点为非优先抢占节点；然后，所述移动信息汇聚节点(3-1)调用跳频通信模块并按照跳频通信方式接收各个组合式农作物生长环境感知节点(I)所传送的数据，并将所有组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据打包后发送给固定信息汇聚节点(3-2)，在进行跳频通信的过程中，当发生信道抢占时，非优先抢占节点收到优先抢占节点发出的数据帧就主动避让，优先保证优先抢占节点数据的传送；步骤203、所述固定信息汇聚节点(3-2)接收所述移动信息汇聚节点(3-1)发送的数据并进行打包后发送给数据服务系统(4 )。
10.按照权利要求8所述的方法，其特征在于步骤302中所述环境感知信息库服务器(4-2)调用奇异值消除处理模块且按照替代资源方法对各个组合式农作物生长环境感知节点(I)所采集数据分别进行奇异值消除处理的过程如下 步骤3021、所述环境感知信息库服务器(4-2)调用奇异值判断模块判断组合式农作物生长环境感知节点(I)的感知信息是否是奇异值并得出判断结果； 步骤3022、当判断得出组合式农作物生长环境感知节点(I)的感知信息是奇异值时，所述环境感知信息库服务器(4-2)按照组合式农作物生长环境感知节点(I)的位置属性在容差范围内搜寻其它组合式农作物生长环境感知节点(I )，当搜索到其它组合式农作物生长环境感知节点(I)时，用搜索到的毗邻组合式农作物生长环境感知节点(I)的感知信息替代奇异值的感知信息，然后，所述环境感知信息库服务器(4-2)输出奇异值消除信息；当搜索不到其它组合式农作物生长环境感知节点(I)时，通过所述管理中心服务器(4-5)发出告警信号； 反之，当判断得出组合式农作物生长环境感知节点(I)的感知信息不是奇异值时，所述管理中心服务器(4-5)输出奇异值消除信息。
全文摘要
本发明公开了一种农作物生长环境信息实时感知和动态呈现系统及方法，其系统包括多个组合式农作物生长环境感知节点和与多个组合式农作物生长环境感知节点连接的信息汇聚节点，以及与信息汇聚节点连接的数据服务系统和与数据服务系统连接的信息动态呈现系统，每个组合式农作物生长环境感知节点的输入端均接有感知末端传感器；其方法包括步骤一、农作物生长环境信息的实时采集；二、农作物生长环境信息的实时上传；三、农作物生长环境信息的分析处理；四、农作物生长环境信息的判断及判断结果的显示；五、农作物生长环境信息的动态呈现。本发明设计合理，操作方便，灵活性强，时效性强，准确度高，工作效率高，适用范围广，推广应用价值高。
文档编号H04W84/18GK102780783SQ20121028479
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月11日 优先权日2012年8月11日
发明者庞雄昌, 杨君刚, 杨科利, 王喆, 王因传 申请人:庞雄昌, 杨君刚, 杨科利, 王喆, 王因传