一种基于无线传感网的农田入侵监测系统及监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无线传感网的农田入侵监测系统及监测方法，包括若干个无线传感器节点，所述无线传感器节点之间通过ZigBee协议通信；所述无线传感器节点包括AVR微控制器和两种感应器；所述两种感应器包括被动红外感应器和超声波感应器；所述被动红外感应器用于探测有无外物入侵农田，超声波感应器用于探测外物距农田的距离；若干个无线传感器节点分为感应节点、中间节点和基站节点；感应节点通过两种感应器检测有无外物入侵农田及入侵距离，中间节点将感应节点检测的信息通过一跳/多跳的方式路由送给基站节点；基站节点通过GSM发送短信息到农户手机里，同时激活农户家里的警报器。本发明使农户可随时随地实时监测农田，具有良好的使用价值。
【专利说明】
一种基于无线传感网的农田入侵监测系统及监测方法
技术领域
[0001] 本发明属于农业应用技术领域，具体涉及一种基于无线传感网的农田入侵监测系 统及监测方法
【背景技术】
[0002] "微电子机械系统(MEMS)"技术的快速发展促发了无线传感器网络技术的出现。在 一个无线传感器网络中，感应节点能够感应一些具体的物理现象，并将感应到的数据传送 到基站节点中。无线传感网现已被应用到各个领域中，例如农业、目标追踪、健康监测和野 生生物追踪。由于无线传感网的资源受限性质，一个感应节点可以通过单跳或多跳方式传 输数据到基站节点中。
[0003]农业是非常重要的资源，尤其在发展中国家。先进的科学技术在世界范围内极大 发展了农业设施。一些先进的技术，例如地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、无线传 感器网络(WSN)和远距离感应(RS)，在农业设施上有很多的应用。WSN在对农田上不同活动 的监测起了重大的作用。无线传感网在农业上的应用主要有以下几个部分，空间数据采集、 精准灌溉、可变速率技术和提供数据。更进一步地，无线传感网可以应用到农业中的环境、 天气的监测。无线传感网在农业中的应用的有以下几个优势，例如在农田环境下，监控时间 长、距离决策和基于图形用户界面的监测系统。
【发明内容】
[0004] 在本发明系统中，感应节点监视进入农田的入侵者，检测数据通过中间节点传输 到数据基站节点中，基站节点再控制报警器发出警示，来提醒农户农田有入侵迹象。实现本 发明的具体技术方案如下：
[0005] -种基于无线传感网的农田入侵监测系统，包括若干个无线传感器节点，所述无 线传感器节点之间通过ZigBee协议通信;所述无线传感器节点包括A VR微控制器和两种感 应器;所述两种感应器包括被动红外感应器和超声波感应器;所述被动红外感应器用于探 测有无外物入侵农田，所述超声波感应器用于探测外物距农田的距离；
[0006] 所述若干个无线传感器节点分为感应节点、中间节点和基站节点；所述感应节点 通过两种感应器检测有无外物入侵农田及入侵距离，所述中间节点将感应节点检测的信息 通过一跳/多跳的方式路由送给基站节点；所述基站节点通过GSM发送短信息到农户手机 里，同时激活农户家里的警报器。
[0007] 进一步优选，所述AVR微控制器ATMEGA 324PA-PU。
[0008] 进一步优选，所述被动红外感应器采用HC-SR501;所述超声波感应器采用HC-SR04。
[0009]进一步优选，所述无线传感器节点包括两种工作模式:感应模式和传输模式;感应 模式下，所述无线传感器节点用于监测农田；传输模式下，所述无线传感器节点作为中间节 点实现信息路由。
[0010] 进一步优选，所述ZigBee地址模式采用16位地址。
[0011] 进一步优选，所述节点还包括显示屏，用于显示入侵信息。
[0012]根据上述监测系统，本发明还提出了一种监测方法，包括如下步骤：
[0013] S1，初始状态下节点处于睡眠模式，当检测到入侵者的信息时，主节点被激活；
[0014] S2，主节点被触发后，将会创建并广播信息请求REQ;在REQ包中包含两个字段： type字段为标志位，用来区别信息的种类(REQ包、REP包和检测信息包），mst_pos字段包含 了主节点的位置信息；
[0015] S3，所有接收到REQ包的邻近节点i，给主节点返回REP信息;所述REP包中包含四个 字段，分别是消息的种类type、该节点到主节点的距离dist、该节点的剩余能量RE和下一跳 节点的接收信号强度RSS;
[0016] S4，主节点根据收到的返回消息REP来计算每个邻近节点i的值S，通过判断S值的 大小，来选择下一跳节点i。
[0017] S5,选择好下一个节点之后，主节点将检测信息包发送给下一个节点。所述检测信 息包包含2个字段，分别是type字段，表示信息包的类型，ms t_id字段，表示入侵信息；
[0018] S6,下一跳节点i继续使用S2-S5的方法再选择下一跳节点，直至将包含入侵信息 的检测信息包传送到基站节点；
[0019] S7,基站节点通过GSM将检测的入侵信息发到农户手机上，并激活农户家中的报警
器。
[0020] 进一步，所述S值的计算公式为
[0021 ]其中，REmax和RSSmax为一个节点的剩余能量RE和接收信号强度RSS的最大值，R是节 点能够通信的最远距离，D是主节点和下一跳节点i之间的物理距离。
[0022] 进一步，所述REQ包中，type字段占据1个字节，所述mst_pos字段占据4个字节;所 述REP包中，type字段占据1个字节，dist字段占据2个字节，RE字段占据1个字节，RSS字段占 据1个字节。
[0023]本发明的有益效果为：
[0024] 1.当入侵者进入农田时，本发明设计的入侵监测系统可以及时给农户发短信以及 触发农户家中的报警器。
[0025] 2.本发明利用基于无线传感器板的AVR微控制器技术，实时控制、精度高。
[0026] 3.利用被动红外感应器和超声波感应器检测入侵信息，实时性和准确性较好。
[0027] 4.本发明提出了入侵监测系统的性能评估的参数设计，有利于及时评估系统，提 高使用价值。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明监测系统的层次结构示意图；
[0029] 图2是本发明监测系统的工作流程图；
[0030] 图3是本发明监测系统的原理示意图；
[0031]图4主节点广播的REQ信息包格式示意图；
[0032]图5中间节点响应的REP信息包格式示意图；
[0033]图6检测信息包的格式示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0035]如图1所示，本发明的监测系统从功能上分为四层，第一层包括两种感应器:被动 红外感应器和超声波感应器。感应器本身不发射任何能量，只被动接收、探测来自环境的红 外辐射。一旦有入侵者的红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信 号，这样被动红外感应器就能够感应到入侵迹象继而被激活。超声波感应器具有频率高、波 长短、方向性好等优点，超声波感应器向周围发送超声波，超声波会在遇到入侵者后返回， 感应器通过返回的超声波来判断入侵者距离农田边界的距离（感应器都布置在农田边界 上）。两种感应器感应到的数据通过自身的通信设备，将信息传输到第二层的微控制器，微 控制器对这些信息进行采集，按照不同的信息格式对信息进行打包处理。第三层负责将信 息从感应节点传送到基站节点：监测到入侵迹象后，信息通过单跳或者多跳的方式被传送 到基站节点，具体传输采用ZigBee协议。第四层:运用GSM技术发送短息到农户手机里，同时 激活农户家里的警报器。农户通过接收消息，能够知晓农田中的入侵状况。
[0036]如图2所示，本发明系统的工作原理和流程如下：
[0037] S1，所有节点在初始状态下处于睡眠模式，只有当检测到入侵者时，节点被激活。
[0038] 入侵者包括动物、人类以及车辆等。所有节点通过无线连接到网络，每个节点都能 够自我调节各自的功率，一共有四个档位。这样的话，各个节点可以通过调节自身功率，达 到不同的通信范围。由于功率共有四个档位，则节点的通信范围有四个阶段，定义一个感应 节点能够通信的最远距离为R。每个节点包含两种感应器，被动红外感应器和超声波感应 器。其中被动红外感应器能够检测到物体活动，超声波感应器可以检测活动物体距农田边 界的距离。
[0039] 本发明中，一个感应节点有两种工作模式，分别为感应模式和传输模式:感应模式 下，感应节点负责监测农田的入侵者;传输模式下，感应节点作为路由，将从其他节点传过 来的数据更进一步的传送到基站节点中。之后基站节点再将消息通过GSM传输到农户家报 警器，来产生警示信号。同时，基站节点也将发送短信到农户手机里。原理图如图3所示。
[0040] 假设在36米见方农田上部署了20个感应节点，如图3所示，节点布置在农田边界， 排列成正方形，每个节点的参数如表1所示：
[0041] 表1
[0043]~用到的器件如表2所示:
[0046]在本发明系统中，检测到入侵的节点称为主节点，主节点将选择邻近的节点当作 传送数据的下一跳节点，为选择下一跳节点，主节点需要考虑以下因素：（1)下一跳节点的 接收信号强度RSS; (2)下一跳节点的剩余能量RE; (3)主节点和下一跳节点之间的物理距离 D〇
[0047] S2，主节点被触发后，将会创建并广播信息请求REQ，在REQ包中包含2个字段，type 字段为标志位，用来区别信息包的种类(REQ包、REP包和检测信息包），mst_pos字段包含了 主节点的位置信息。
[0048]因为所有部署的节点是预先设定好的，所以节点的位置信息是已知的。REQ的格式 如图4所示，在REQ包中，type字段显示了信息的种类，占据1个字节，mst_p〇S字段包含了主 节点的位置信息，占据4个字节。
[0049] S3,所有接收到REQ包的邻近节点，都会给主节点返回消息:REP信息包。REP包中有 四个字段，如图5所示，分别是消息的种类type字段(REQ包、REP包和检测信息包），占据1个 字节，该节点到主节点的距离dist字段，占据2个字节，该节点的剩余能量RE字段，占据1个 字节，下一跳节点的接收信号强度RSS字段，占据1个字节。
[0050] S4，主节点根据收到的返回消息来计算每个邻近节点i的值S，通过判断S值的大 小，来选择下一跳节点。第i个节点的S值的计算如下：
⑴
[0052]式（1)中，REmax和RSSmax为一个节点的剩余能量和接收信号强度RSS的最大值。主节 点将会选择S值最大的节点作为下一跳节点。
[0053] S5,选择好下一个节点之后，主节点将检测信息包发送给下一个节点。所述检测信 息包(包含主节点检测到的入侵信息）的结构如图6所示，包含2个字段，分别是消息的种类 type字段(REQ包、REP包和检测信息包），占据1个字节，mst_id字段，表示监测的入侵数据， 占据2个字节。
[0054] S6,下一跳节点i继续使用S2-S5的方法选择再下一跳节点，直至将检测信息包传 送到基站节点。
[0055] S7,基站节点通过GSM将检测的入侵信息发到农户手机上，并激活农户家中的报警 器。
[0056] 当节点在一定的时间t(可设置为30分钟或其他时间）内没有检测到任何活动或没 有收到来自邻近节点的数据传送请求，就进入睡眠模式。即只有当节点检测到入侵或收到 其他节点的数据传送请求时，才会被激活。
[0057] 本发明设计了以下三个参数来评估系统性能：
[0058] 准确性（A):准确性定义为本系统检测到的入侵者与实际入侵者的比值，单位 为％。计算表达式为：
⑵
[0060]平均被激活的节点的百分比(P):检测到入侵者需要的被激活节点的百分比。计算 表达式为：
(3)
[0062]电压(V):在特定时间t内，检测入侵者导致的电压下降。
[0063]上述公式中：N为网络中节点的总数量;n为被激活的节点数量;Nd :本系统检测到 的入侵者总数;Ne:实际入侵者总数。
[0064] 综上所述，本发明设计了用无线传感网通信的入侵监测系统。硬件模型上，采用基 于无线感应板的AVR微控制器，感应板配备了两种感应器一一被动红外感应器和超声波感 应器。当入侵者进入农田时，感应器负责监测入侵者的到来及其入侵者距离农田边界的距 离。收集数据后，感应节点将数据通过中间节点的路由传送给基站节点，基站节点发送短信 至手机并触发农户家中的报警器。传输数据的过程由节点的一跳/多跳完成，通过判断接收 信号强度和剩余能量为依据来选择下一跳节点。
[0065] 上文仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制保护范围， 凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于无线传感网的农田入侵监测系统，其特征在于，包括若干个无线传感器节 点，所述无线传感器节点之间通过zi gBee协议通信;所述无线传感器节点包括AVR微控制器 和两种感应器;所述两种感应器包括被动红外感应器和超声波感应器;所述被动红外感应 器用于探测有无外物入侵农田，所述超声波感应器用于探测外物距农田的距离； 所述若干个无线传感器节点分为感应节点、中间节点和基站节点；所述感应节点通过 两种感应器检测有无外物入侵农田及入侵距离，所述中间节点将感应节点检测的信息通过 一跳/多跳的方式路由送给基站节点;所述基站节点通过GSM发送短信息到农户手机里，同 时激活农户家里的警报器。2. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的农田入侵监测系统，其特征在于，所述 AVR微控制器ATMEGA 324PA-PU。3. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的农田入侵监测系统，其特征在于，所述 被动红外感应器采用HC-SR501;所述超声波感应器采用HC-SR04。4. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的农田入侵监测系统，其特征在于，所述 无线传感器节点包括两种工作模式:感应模式和传输模式;感应模式下，所述无线传感器节 点用于监测农田；传输模式下，所述无线传感器节点作为中间节点实现信息路由。5. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的农田入侵监测系统，其特征在于，所述 ZigBee地址模式采用16位地址。6. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的农田入侵监测系统，其特征在于，所述 节点还包括显示屏，用于显示入侵信息。7. 根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于无线传感网的农田入侵监测系统的监测 方法，其特征在于，包括如下步骤： S1，初始状态下节点处于睡眠模式，当检测到入侵者的信息时，主节点被激活； 52, 主节点被触发后，将会创建并广播信息请求REQ;在REQ包中包含两个字段:type字 段为标志位，用来区别信息的种类，mst_p 〇S字段包含了主节点的位置信息； 53, 所有接收到REQ包的邻近节点i，给主节点返回REP信息；所述REP包中包含四个字 段，分别是消息的种类t y p e、该节点到主节点的距离d i s t、该节点的剩余能量RE和下一跳节 点的接收信号强度RSS; S4，主节点根据收到的返回消息REP来计算每个邻近节点i的值S，通过判断S值的大小， 来选择下一跳节点i。 55, 选择好下一个节点之后，主节点将检测信息包发送给下一个节点；所述检测信息包 包含2个字段，分别是type字段，表示信息包的类型，ms t_id字段，表示入侵信息； 56, 下一跳节点i继续使用步骤S2-S5的方法再选择下一跳节点，直至将包含入侵信息 的检测信息包传送到基站节点； S7，基站节点通过GSM将入侵信息发到农户手机上，并激活农户家中的报警器。8. 根据权利要求7所述的一种基于无线传感网的农田入侵监测方法，其特征在于，所述 S值的计算公式为其中，REmax和RSSmax为一个节点的剩余能量RE和接收信号强度RSS的最大值，R是节点能 够通信的最远距离，D是主节点和下一跳节点i之间的物理距离。9.根据权利要求7所述的一种基于无线传感网的农田入侵监测方法，其特征在于，所述 REQ包中，type字段占据1个字节，所述mst_p〇S字段占据4个字节;所述REP包中，type字段占 据1个字节，di st字段占据2个字节，RE字段占据1个字节，RSS字段占据1个字节，所述检测信 息包中，type字段占据1个字节，mst_id字段占据2个字节。
【文档编号】H04W84/18GK105959923SQ201610266511
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】郭坤祺, 涂曦瑶, 徐东进
【申请人】江苏大学