专利名称：一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，它与 植被冠层结构参数的数据采集有关，属于农业与生态学以及无线传感器网络技术领域。
(二)技术背景植被冠层结构参数是研究植被生长发育状态的一个重要指标，也是制约陆 地-大气作用过程模型的一个重要关联参数。因此，精确地获取植被结构参数是推动陆 面模式建模与模型验证的迫切需求。本实用新型中所述植被结构参数是指植被冠层叶面积指数(LeafArea Index, LAI)与叶倾角概率密度函数。植被结构参数的获取方法有直接量测法和间接量测法，其中直接法包括破坏性 测量法和手工原位量测以及落叶法。直接测量结果精度高，可以作为间接测量方法精度 比较的比对参考。但是测量过程费时耗力并且对测量样地会造成一定破坏，难以用于大 面积长时间序列的数值获取。对植被结构参数的间接测量仪器中，是通过测量植被冠层方向间隙率，根据间 隙率与叶面积指数和叶倾角分布的关系来估计这些结构参数。这些仪器的区别在于获取 间隙率的方法不同。目前能够对植被结构参数间接测量的商业化仪器有两种类型，第一 种是通过测量冠层内透过的太阳辐射量来估算冠层透过率，如英国的SunScan和澳大利 亚的Demon。其中SunScan是通过在冠层底部部署多达64个光传感器来一次性获取对 冠层结构信息的多层次信息，而Demon则是通过驱动(手持移动或马达驱动)传感器在 冠层下部沿着一定的方向或轨道移动来达到一次获取多角度信息的目的。另外一种是 利用半球成像技术来获取视场内的植被与背景信息，通过分类的方法统计各自的像素数 来计算冠层内的方向间隙率，如美国的LAI2000和专利“透光分层疏透度测定方法及摄 影装置”(专利号01128255.X)以及“一种用于测定透光分层疏透度的装置”(专利号 01250965.5)，为了获取植被冠层多角度图像，它们采用了宽视场角的鱼眼镜头来获取冠 层结构信息。以上测量仪器的共同特点是通过在冠层底部一次测量获取多角度冠层辐射分布 信息的形式来实现对冠层结构参数的测量。在长时间序列以及大空间范围内进行数据采 集的时候，由于需要在较大的实验场地上部署多个测量仪器，且需要人员到现场多次测 量，因此，以上所属仪器和方法需要耗费巨大数据采集成本，包括人力成本和仪器购置 成本。实用新型专利“一种树木冠层分析仪的数据采集装置”(公开号 CN101413875A)通过在长1.2-1.8m，宽0.6_1.0m的平面上部署多达14000个硅光敏电池 或点耦合元件来获取树木林下的太阳辐射分布，通过在一天中太阳的移动以及太阳辐射 的变化来间接估算树木的冠层结构参数。该专利所述装置其使用条件受限于在林地环境 下，并且要求林地下有较大的间隙才能够放置该设备。而在低矮植被或连续分布植被，如农作物、草地环境下则无法使用。
实用新型内容1、目的针对以上设备与技术存在的问题，本实用新型的目的是一种基于无线 传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，该装置具有体积小、成本低、数据自动获取 与无线传输的特点，能够实现无人值守情况下的长时间、大范围、多植被类型冠层结构 参数的自动测量与传输。2、技术方案为实现上述优点，本实用新型采取如下技术方案一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，包括由分布在研究区的冠层上与冠层下的测量节点和路由节点组成的无线传感器网由汇聚节点与控制终端和远程服务器连接形成的数据处理与节点控制系统。无线传感器网络跟数据处理与节点控制系统之间的位置连接关系是无线传感 器网络通过在其汇聚节点上加装串口模块，与控制终端上的数据处理与节点控制系统通 过RS232串口线近距离的连接；无线传感器网络通过在其汇聚节点上加装GPRS模块， 与放置于实验室的远程服务器上的数据处理与节点控制系统通过GPRS无线通信远距离 的连接。其中，所述测量节点是由用于测量冠层上下太阳透过辐射的光传感器、用于临 时数据存储的数据存储单元、用于提供采集时间的实时时钟、用于进行无线通信组网和 节点控制运算的核心芯片以及供电单元组成。它们之间的位置连接关系是光存储器， 实时时钟通过I2C与核心芯片连接，数据存储单元通过SPI与核心芯片连接，所有单元都 与供电单元连接。所有元器件分布在10X4.5cm2的节点电路板上。其中，所述光传感器是一 3X3mm2的光电转换器，采用的是环境光感应 器TSL2561芯片；所述数据存储单元是选用M25P10，IMbit的存储器；所述实 时时钟是选用PCF8563芯片计时；所述核心芯片是JENNIC公司提供的高功率的 JN5139-Z01-M02R1模块，它同时具有无线通信组网与单片机控制运行功能；所述供电 单元和节点所部署的位置有关，部署于冠层下的节点电源为两节AA碱性电池，部署在冠 层上的节点以及路由节点和汇聚节点电源为太阳能电池板和备用的两节AA碱性电池的组合。所述路由节点和测量节点在硬件组成上一样，只是在驱动程序上调用的无线通 信协议栈不一样，路由节点可以实现信号中继的路由功能。设置一汇聚节点用来汇总来自所有测量节点的数据，并将汇总的数据传输给控 制终端与远程服务器。其中，所述汇聚节点是在测量节点的元器件基础上增加一个GPRS无线通讯模 块及串口通信模块，该GPRS模块选用的是基于移动2.5G Hz GPRS网络平台内嵌Siemens MC35I/MC39I工业级模块的无线调制解调器，可以直接与工业电脑等上位机设备连接， 实现GPRS数据通信；串口通信模块选用JENNIC支持良好的，低功耗的电平转化芯片 SP3232 ；由汇聚节点与控制终端和远程服务器相连接组成控制装置即数据处理与节点控 制系统，传递空间位置信息和数据，与无线传感器网络之间实现无线通讯；所述控制终端及远程服务器均为联网计算机。其中，所述测量节点、路由节点和汇聚节点都写入了 自主编制的驱动程序，驱动程序结构示意图见图1.当打开节点的电源开关后，首先进行 各功能模块的初始化，路由节点会立刻和其他路由节点以及汇聚节点通过多跳自组织的 方式建立无线传感器网络，然后一直处于工作状态，随时等待测量节点的接入。测量节 点会搜寻由路由节点组成的无线网络，接入网络后，测量节点进入工作状态，根据预先 设定的时间间隔，采集存储数据，并将数据经由无线网络发送出去。一次采集数据完 毕，进入休眠状态，等待下一个时刻重启中断，如此循环往复。当一阶段数据采集工作 完成以后，可以在设定的时间节点中断上述循环，测量节点进入长时间休眠状态，等待 下一次采集工作。其中，所述测量节点中，位于冠层下的测量节点用来获取一天不同太阳高度角 的冠层下太阳透过辐射，位于冠层上的测量节点用来获取研究区一天中不同太阳高度角 的太阳总辐射，从以上两个测量数值即可提取植被冠层结构参数信息。其中，所述测量节点之间，测量节点与路由节点之间，路由节点与汇聚节点之 间，以及汇聚节点与控制终端和远程服务器的连接关系是多个(N <= 16)冠层上的 测量节点与冠层下的测量节点通过无线通信的方式与路由节点相连；路由节点之间，以 及路由节点与汇聚节点通过无线多跳自组织的方式进行连接；汇聚节点在本质上也属于 一个路由节点，但是，区别与普通路由节点之处是，汇聚节点具有串口通信模块和GPRS 模块。汇聚节点通过串口和GPRS无线通讯模块与控制终端或远程服务器相连。其中，所述测量节点与路由节点之间，路由节点与汇聚节点之间，以及汇聚节 点与控制终端和远程服务器的位置关系是测量节点在测量区域随机分布，每16个测量 节点附近至少要有一个路由节点作为信号中继点，测量节点与路由节点之间最远距离不 超过200m;路由节点采用无线多跳的方式进行连接，任一路由节点周围200m范围内至 少要有一个路由节点与其相连；汇聚节点可以放置于任一路由节点周围200m范围内； 汇聚节点可以使用串口线实现汇聚节点与控制终端的近距离数据传输，也可以使用汇聚 节点的GPRS模块实现汇聚节点与远程服务器的远距离数据传输。其中，所述数据处理与节点控制系统运行于控制终端和远程服务器，当数据从 测量节点经由路由节点，汇聚节点，最终传送到控制终端和远程服务器以后，数据处理 与节点控制系统可以自动的读取并分析数据，从中提取各测量节点不同太阳高度角下的 植被冠层方向间隙率，利用提取的间隙率反演出该节点处植被冠层的叶面积指数与叶倾 角分布，并将结果可视化显示。同时，操作人员可以通过数据处理与节点控制系统向测 量节点发送命令，改变测量节点的参数设置，从而达到控制目的。3、优点及功效与现有技术相比，本实用新型通过在冠层上部测量太阳总辐 射、在冠层下部测量太阳透过辐射来达到计算冠层透过率的目的，利用一天之中太阳高 度角的变化来实现多角度的冠层间隙率计算。进而，利用多角度间隙率计算冠层的结构 参数。本实用新型利用太阳高度角的变化取代了传统的鱼眼相机一次获取多角度图像的 方法，并且，由于本实用新型直接使用了平面光传感器，可以直接计算冠层间隙率，无 需对观测目标进行成像，减少了数据后处理中图像分类误差。本实用新型采用无线网络 进行数据传输，减少了单片机的数据存储容量，更有利于实现在无人值守条件下的大区 域、长时间序列的植被冠层参数获取。
图1为本实用新型测量节点驱动程序结构示意图图2为本实用新型的测量节点结构示意图图3为本实用新型的野外部署示意图图4为本实用新型数据获取控制算法结构示意图图中符号说明如下1-测量节点2-路由节点3-汇聚节点4-联网计算机5-联网计算机
具体实施方式
本实用新型一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，包括由布 置于研究区域冠层上部空间与下部空间的测量节点1以及路由节点2组成的无线传感器网 络；由汇聚节点3与控制终端及远程服务器组成的数据处理与节点控制系统。其中，所述测量节点1是由用于测量冠层上下太阳透过辐射的光传感器、用于 临时数据存储的数据存储单元、用于提供采集时间的实时时钟、用于进行无线通信组网 和节点控制运算的核心芯片以及供电单元组成。测量节点1通过无线通信与路由节点2相 连。路由节点2在硬件上与测量节点1相同，只是在驱动程序上调用的协议栈不同，路由 节点2使用的协议栈可以实现对无线信号的中继，由于有这个特点，路由节点2之间可以 通过多跳无线通信方式连接并组成无线传感器网络。上述无线通信连接均使用JENNIC公 司提供的Jenie通信协议。此协议与Sgbee的协议功能大体相同，区别在于Jenie的协议 占用空间更小，耗能更少，其缺点是没有Zigbee协议的Mesh网络灵活，但是对于相对位 置固定，节点不会随时移动，障碍物影响不大的情况下，选用Jenie的协议更利于我们的 网络布置和网络利用。为了与外界进行数据交流，设置一汇聚节点3用来汇总来自所有 测量节点的数据，并将汇总的数据传输给控制终端与远程服务器。该汇聚节点3是在路 由节点2基础上增加了用于和控制终端及远程服务器连接的串口通信模块和GPRS模块。其中，光传感器为一 3X3mm2的光电转换器，采用的是环境光感应器TSL2561 芯片，此芯片具有光电转换功能，直接通过I2C传递回光强的数字信息。其具体参数如 下·工作电压 2.7-3.6V·工作温度-30_70°C·信号低电平电压-0.5_0.8V·信号高电平电压2.1-3.6V其中，数据存储单元选用M25P10，IMbit的存储器，JENNIC在说明中指出对其 的良好支持。其具体参数如下所示·存储量 IMbit·工作电压 2.7-3.6V·工作接口 SPI接口·工作最大频率50MHz其中，所述核心芯片，采用的是JENNIC公司提供的高功率的JN5139-Z01-M02R1模块，该模块同时具有无线通信组网与单片机控制运行功能。其模 块参数如下所述物理参数·传输距离> Ikm 模块外观尺寸18 X 41mm·工作电压 2.7-3.6V·工作频段 2.4GHz IEEE802.15.4 兼容·休眠电流(带有唤醒计时器)< 2.8uA· 19dBm power,带 SMA、uFI 天线连接器·接收灵敏度-IOOdBm· TX 电流< 120mA· RX 电流< 45mA接口参数·五个 SPI 接口·两个 UART 串 口·两个可编程定时计时器 两线的 I2C 口· 21个通用的IO 口(部分和UART复用)·四路 12-bit，IOOksps 的 ADC 两路11位的DAC· 一个比较器·内部的温度与电压传感器处理器参数· 16MHz 32 位 RISC CPU· 128KB FLASH、64KB ROM、96KB RAM其中，所述实时时钟，可以为采集的数据提供年，月，日，时，分，秒的计 时，选用PCF8563，此芯片功耗很低，适用于我们采用的电池供电的方式。其具体参数 如下所示·晶振为 32.768KHZ 工作电压 1.0-5.5V·工作电流 0.25uA·支持 I2C 接口其中，所述串口通信模块选用JENNIC支持良好的，低功耗的电平转化芯片 SP3232,其具体特性如下所述·满足 EIA/TIA-232-F 标准 工作电压为3.0-5.5V·满载最小数据速率120Kbps· IuA的低功耗关断模式，接收器(SP3222E)有效·可与RS232共同使用，电源低至+2.7V[0077]·增强型ESD规范士 15kV人体放电模式士 15kV IEC1000-4-2 气隙放电士 8kVIEC1000-4_2 接触放电其中，所述GPRS模块选用的是基于移动2.5G Hz GPRS网络平台内嵌Siemens MC35I/MC39I工业级模块的无线调制解调器，可以直接与工业电脑等上位机设备连接， 实现GPRS数据通信。其具体特性如下所述·支持EGSM900和GSM1800双频支持数字、语音、短消息和传真·处于睡眠状态时电流为3mA支持三种语言编码的传送速率·标准协议的认证、采用GSM Phase2/2+标准·工作电压 3.3-5.5V·频段双频 GSM900MHz 和 DCS 1800MHz (Phase 2+)·发射功率2W(GSM900MHz Class 4) IW (DCS 1800MHz Class 1)· SIM卡连接方式外接·天线由天线连接器连接外部天线·温度范围工作温度-20_+55°C储存温度-30_+85°C·工作电流损耗通话模式300mA(典型值.)空闲模式3.5mA(最大值模 式IOOuA (最大值)·通讯接口 RS232(指令和数据的双向传送)其中，供电单元的组成和节点所部署的位置有关，部署于冠层下的节点电源为 两节AA碱性电池，部署在冠层上的节点以及路由节点2和汇聚节点3电源为太阳能电池 板和备用的两节AA碱性电池的组合。其中，所述控制终端及远程服务器均为联网计算机4、5。本实用新型的优势之一是适合获取大面积的植被结构参数，利用路由节点2之 间多跳连接，可以将测量节点的布设范围扩展到Ikm2或者更大，测量节点具体布设如图 2所示，首先根据测量区域的实际情况确定采样策略，根据采样策略确定想要获取植被结 构参数的每一个具体的测点位置，然后在每个这样的测量点位置的冠层下部空间放置一 个测量节点，用来测量一天中不同太阳高度角下植被冠层太阳透过辐射Q1(其中i为冠层 下测量节点的编号)。为了测量冠层上太阳总辐射和天空散射辐射，另外选取2个测点 位置，在每个这样的测量点位置的冠层上部空间放置一个测量节点，并在其中一个节点 上面加装遮阴板，分别用来测量一天中不同太阳高度角下植被冠层上太阳总辐射Qci与天 空散射辐射Dtlt5在布设16个测量节点后，需要设置一路由节点2，布设路由节点2的要 求是使16个测量节点落在该路由节点2周边半径为200m的圆周内。16个测量节点1加 一个路由节点2为一组节点，可以在研究区布置若干组节点。组与组之间通过路由节点 2连接。在各组节点布置好以后，选择任一路由节点2周边200m范围内，设置一个汇聚 节点3，其本质为一个加装了串口模块和GPRS模块的路由节点2，汇聚节点3用来汇总 无线传感器网络各测量节点的数据，并和外界进行数据的交流。每个节点在相应的位置 安置固定好以后打开节点上的电源开关，节点即开始工作。测量节点1布设好后，一次完整的测量过程为，当太阳升起之前1个小时左右，天空只有散射光的时候，测量节点开始测量，然后每隔一定时间间隔读取一个数值，到 太阳落山测量工作停止，从而完成一次测量。利用太阳升起之前冠层上下的测量可以得 到散射光透过率Td，利用太阳高度角一天中随时间的推移而发生的变化，通过分布在冠 层上与冠层下以及冠层上遮阴的测量节点就得到了一天中不同太阳高度角下冠层下的太 阳透过辐射Q1G为冠层下节点编号)，冠层上的太阳总辐射Qtl和天空散射辐射Dtlt5 本实用新型的适宜测量环境为晴朗无风的白天，多云或大风的天气会使得测量 结果充满噪声而影响测量精度，不适合进行测量工作。由于冠层下的测量节点使用碱性 电池供电，连续工作时间有限，为了实现对研究区长时间周期测量，同时也为了提高测 量数据的质量，我们进行了以下设计，一是每个测量节点1都拥有两种状态模式，即工 作模式与休眠模式。工作模式下测量节点1进行数据采集与通信，休眠模式下测量节点1 进入深度睡眠状态，电量消耗降到最低点。测量节点1在一次采集存储传输完毕后马上 进入休眠模式。这样测量节点1在整个测量周期内处于工作模式的时间只占非常小的比 例，从而使得测量周期可以得到延长。二是节点只有在适合测量的时间段内，即晴朗无 风的白天进行测量工作，当在一个测量周期内出现了多云或大风的天气时，可以通过向 测量节点1发送指令使其进入休眠模式。汇聚节点3在白天测量时间段汇总来自各测量节点的数据，在接到传输数据的 指令后，汇聚节点3可以将所存储的数据，通过串口模块和GPRS模块发送给控制终端和 远程服务器。在控制终端或远程服务器上运行的数据处理与节点控制系统接收到汇聚节点的 数据后，开始进行数据处理工作，数据处理与节点控制系统按照图3所示流程，对各节 点数据进行处理，由于在实际测量过程中会有许多因素对测量结果造成影响，导致测量 结果出现一些噪声，所以需要对测量数据先进行滤波处理，又由于测量节点1为每隔一 定时间间隔获取一个数值，所以为了获取任意太阳高度角下冠层太阳光透过率，需要对 测量数据进行插值处理。当数据预处理完毕以后，使用如下核心算法实现对植被结构参 数的反演利用测量节点1上实时时钟记录的时间信息，可将各个数据采集时刻换算为对 应的太阳高度角。通过设置一个时刻阈值，可将测量数据分为日出之前数据与日出之后 数据。日出之前数据，由冠层上不遮阴的测量节点获取的天空散射辐射D'。和冠层下 测量节点获取的天空散射透过辐射D'工组成，由式(1)即可计算散射透过率，即
DTd=寸(1)
0日出之后数据，由冠层下节点获取的某一个时间点下，特定太阳高度角下的冠 层太阳透过辐射Q1G为冠层下节点标号)，冠层上节点获取的某一个时间点下，特定太阳 高度角下的太阳总辐射Qci和冠层上遮阴节点获取的某一个时间点下，特定太阳高度角下 的天空散射辐射Dtl组成。利用这三个量，可以计算特定太阳高度角下冠层上直射光辐射 度，即E0 = Q0-D0 (2)根据(1)式得到的散射光透过率Td，可以计算特定太阳高度角下冠层下的太阳透过辐射度
权利要求1.一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，其特征在于它包括由 分布在研究区的冠层上与冠层下的测量节点和路由节点组成的无线传感器网络；由汇聚 节点与控制终端和远程服务器连接形成的数据处理与节点控制系统；无线传感器网络跟数据处理与节点控制系统之间的位置连接关系是无线传感器 网络通过在其汇聚节点上加装串口模块，与控制终端上的数据处理与节点控制系统通过 RS232串口线近距离的连接；无线传感器网络通过在其汇聚节点上加装GPRS模块，与放 置于实验室的远程服务器上的数据处理与节点控制系统通过GPRS无线通信远距离的连 接；所述测量节点是由用于测量冠层上下太阳透过辐射的光传感器、用于临时数据存储 的数据存储单元、用于提供采集时间的实时时钟、用于进行无线通信组网和节点控制运 算的核心芯片以及供电单元组成；它们之间的位置连接关系是光存储器，实时时钟通 过I2C与核心芯片连接，数据存储单元通过SPI与核心芯片连接，所有单元都与供电单元 连接；该测量节点的上述所有元器件安装在节点电路板上；所述路由节点在硬件组成上和测量节点一样。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，其 特征在于该光传感器为一 3 X 3mm2的光电转换器，其芯片型号是TSL2561。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，其 特征在于该数据存储器为一容量IMbit的M25P10存储器。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，其 特征在于该实时时钟是选用PCF8563芯片计时。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，其 特征在于该用于进行无线通信组网和节点控制运算的核心芯片，是JENNIC公司提供 的 JN5139-Z01-M02R1 模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，其 特征在于该供电单元的组成和节点所部署的位置有关，部署于冠层下的节点电源为两 节AA碱性电池，部署在冠层上的节点以及路由节点和汇聚节点的电源为太阳能电池板和 备用的两节AA碱性电池的组合。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置， 其特征在于该GPRS模块为一基于移动2.5G Hz GPRS网络平台内嵌Siemens MC35I/ MC39I工业级模块的无线调制解调器。
8.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，其 特征在于该串口通信模块是JENNIC支持良好的电平转化芯片SP3232。
9.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，其 特征在于该控制终端及远程服务器均为联网计算机。
10.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置， 其特征在于该测量节点的所有元器件分布在10X4.5cm2的节点电路板上。
专利摘要一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，它由分布在研究区的冠层上下测量节点及路由节点组成的无线传感器网络和由汇聚节点与控制终端远程服务器连接成的数据处理与节点控制系统两部分组成；测量节点通过采集一天中不同太阳高度角下冠层上下的太阳辐射来获取植被参数信息，并通过无线自组网进行数据传输与定位；汇聚节点可将各测点的数据通过串口或GPRS上传到控制终端，通过数据处理系统将植被结构参数计算出来；控制终端通过汇聚节点向各节点发送命令修改参数设置。本实用新型体积小，功耗低，部署方便，成本低廉，适用于大面积、长时间周期的植被参数测量，它在农业与生态学以及无线传感器网络技术领域里具有广泛地实用价值和应用前景。
文档编号G01N21/00GK201803950SQ20102014340
公开日2011年4月20日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者吕耘帙, 姜富斌, 屈永华, 焦思红, 王锦地, 董健 申请人:北京师范大学, 北京星视地信科技有限公司