一种基于压缩感知的大型温室无线监测系统的制作方法

本发明涉及一种监测系统，具体是一种基于压缩感知的大型温室无线监测系统。

背景技术：

随着科学技术的快速发展，为了提高农业的生产效率，温室无线监测系统在现代农业生产中的应用越来越多，它的应用解决了外界相对恶劣的生态环境对农业发展的制约，提高了农业生产水平。在大型温室的无线监测系统中分布着大量的传感节点，而目前的采样机制都是基于高采样频率的奈奎斯特采样定理，因此对硬件的处理能力要求很高，由于无线传感器网络硬件资源的限制容易导致节点的损坏，造成温室监测系统的生命周期变短，影响了智能温室在现代农业生产中的运用与推广。为减少数据的采集量和通信量，提出将压缩感知理论应用于温室环境的无线监测系统中，用以取代高采样频率的奈奎斯特采样定理。

温室无线监测系统是基于计算机技术、传感器技术、嵌入式技术、电子技术、通信技术等集成的高科技产品^[1]。由于无线传感器网络(wirelesssensornetworks，wsns)技术的发展，科技人员已经将无线传感器网络技术应用到目前的温室无线监测系统中，随着大型温室无线监测系统中节点数目的不断增多，需要感知系统获取数据的能力不断得到增强，需要存储、处理和传输的数据也快速增加。发送和接收这些数据所需要消耗的能量给原本能量就受限的传感节点带来了巨大的压力，所以减少温室无线监测系统内网络数据的采集量和通信量是延长其网络生命周期的有效方法之一。

许多学者对无线传感器网络数据压缩的方法进行了研究，但它们大多是基于传统的香农采样定理，它要求信号的采样频率不得低于信号最大频率的两倍，在该理论指导下的信号处理和压缩已经成为目前信息处理领域进一步发展的主要瓶颈之一。近年来，压缩感知理论(compresssensing，cs)打破了传统的nyquist采样，为数据的采样和压缩带来了一次新的革命。压缩感知理论是现代信息科学领域中全新的信息处理方法，其作为一种新的采样理论，它利用信号的稀疏特性，以远小于信号的nyquist频率对信号进行采样，得到压缩后的数据，再利用重构算法重构原始信号，从而进一步减少了传输和处理成本。

将压缩感知技术与无线传感器网络相互结合，它既可以减少节点处理的数据量，又能降低节点的电源消耗，同时还减少了网络中传输的数据量，在一定程度上，也解决了网络中出现的拥塞问题等等。压缩传感理论已经在图像处理中得到有效的应用，但在无线传感器网络中的应用还在初步研究阶段。因此，本发明将压缩感知技术与无线传感器网络相结合的方法应用在大型温室无线监测系统中。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于压缩感知的大型温室无线监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于压缩感知的大型温室无线监测系统，包括数据采样模块、数据处理模块、协调器、无线发射模块、电源模块和监测中心，所述数据采集模块采集到各项参数信息并传输到数据处理模块中，数据处理模块包括压缩采样模块、单片机模块和rf视频收发模块，压缩采样模块将传输的数据进行压缩处理后传输给单片机，单片机通过rf视频收发模块将输出进行远程传输给协调器，协调器还连接信号重构模块和无线发射模块，无线发射模块通过无线网络连接监测中心，电源模块分别给数据采样模块和数据处理模块供电。

作为本发明的优选方案：所述电源模块包括太阳能板t、蓄电池e、三极管v1和芯片ic1，所述太阳能板t的一端连接二极管d1的阳极、电阻r2和三极管v3的集电极，电阻r2的另一端连接电阻r3和三极管v3的基极，三极管v3的发射极连接继电器k，二极管d1的阴极连接电容c1、电阻r1、三极管v1的集电极、三极管v2的集电极、继电器k的触点k-1和芯片ic1的引脚7，电容c1的另一端连接继电器k的另一端、电阻r3的另一端、电容c2、二极管d2的阳极、蓄电池e的负极、太阳能板t的另一端、芯片ic1的引脚4和输出电压u1的负极，三极管v1的基极连接芯片ic1的引脚6，三极管v1的发射极连接三极管v2的基极，三极管v2的发射极连接电容c2的另一端、电容c3的另一端、芯片ic1的引脚2和输出电压u1的正极，电阻r1的另一端连接二极管d2的阴极和芯片ic1的引脚3。

作为本发明的优选方案：所述芯片ic1的型号为op07。

作为本发明的优选方案：所述数据采样模块包括温湿度传感器、co2浓度传感器和光照强度传感器。

作为本发明的优选方案：所述数据处理模块使用cc2530芯片。

作为本发明的优选方案：所述无线网络为4g网络。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于压缩感知的大型温室无线监测系统将压缩感知理论运用于温室系统内温度参数的采集。在信源处，即传感节点，进行压缩感知编码，经过信道传输，即传感器网络，最后在信宿处，即汇聚节点，进行压缩感知解码。运用压缩感知于无线传感器网络不仅大大降低了数据的通信量，而且很大程度上的节省了网络能耗，从而延长了网络生命周期，同时还使用具有光伏发电功能的双电源供电，节约能源，且功能稳定。

附图说明

图1为基于压缩感知的大型温室无线监测系统的整体方框图。

图2为电源模块的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，一种基于压缩感知的大型温室无线监测系统，包括数据采样模块、数据处理模块、协调器、无线发射模块、电源模块和监测中心，所述数据采集模块采集到各项参数信息并传输到数据处理模块中，数据处理模块包括压缩采样模块、单片机模块和rf视频收发模块，压缩采样模块将传输的数据进行压缩处理后传输给单片机，单片机通过rf视频收发模块将输出进行远程传输给协调器，协调器还连接信号重构模块和无线发射模块，无线发射模块通过无线网络连接监测中心，电源模块分别给数据采样模块和数据处理模块供电。

电源模块包括太阳能板t、蓄电池e、三极管v1和芯片ic1，所述太阳能板t的一端连接二极管d1的阳极、电阻r2和三极管v3的集电极，电阻r2的另一端连接电阻r3和三极管v3的基极，三极管v3的发射极连接继电器k，二极管d1的阴极连接电容c1、电阻r1、三极管v1的集电极、三极管v2的集电极、继电器k的触点k-1和芯片ic1的引脚7，电容c1的另一端连接继电器k的另一端、电阻r3的另一端、电容c2、二极管d2的阳极、蓄电池e的负极、太阳能板t的另一端、芯片ic1的引脚4和输出电压u1的负极，三极管v1的基极连接芯片ic1的引脚6，三极管v1的发射极连接三极管v2的基极，三极管v2的发射极连接电容c2的另一端、电容c3的另一端、芯片ic1的引脚2和输出电压u1的正极，电阻r1的另一端连接二极管d2的阴极和芯片ic1的引脚3。

数据采样模块主要负责检测温室内的温度、湿度、co2浓度和光照度等影响植物生长的主要环境因素。传感器采集到的环境信息经过压缩、转换、滤波等一些简单处理过后通过底层zigbee网络通信和gprs通信传送到远程监控中心。传感器采集环境信息的准确度与整个智能温室能否实现正确的控制有着密不可分的联系。

co2浓度传感器，检测温室内co2浓度所采用的是mg811二氧化碳气体传感器，对二氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，且拥有快速的响应恢复特性。

光照度传感器，采用bh1750fvigy-30数字光强度模块检测温室内的光照度，该模块使用rohm原装bh1750fvi芯片，bh1750fvi是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。

温湿度传感器，检测环境温度、湿度所采用的传感器为dht11，该传感器为一种已经校正过的单总线数字信号输出温湿度一体传感器，传感器内部包含一个电阻式测湿元件和一个ntc测温元件，不需要外接ad转换芯片。

本发明选用ti公司的高性能cc2530芯片作为射频模块，采集并传送数据。cc2530应用了业界领先的z-stack™协议栈，ti公司提供cc2530f32/64/128/256等多个存储容量不同的cc2530芯片，最大可提供高达256kb的代码存储容量，cc2530支持四种供电模式，提供2个usart、五通道dma、aes安全协处理器、21个通用引脚。芯片自带精度高达12位的8通道ad采集芯片，具有良好的易用性和通用性。

本发明的工作原理是：电源模块的工作原理是：有光照时，太阳能板t完成光电转换并将电能输出给电路，其中一部分经过电阻r2和电阻r3分压后加在三极管v3的基极，因此t的输出电压正常时，三极管v3导通，继电器k导通，其触点k-1断开，此时的由太阳能板t供电，由三极管v1、三极管v2和芯片ic1等元件组成控制电路，电路采用运算放大器μa741作为比较控制元件，三极管v1和v2作为调整元件，电路工作于开关状态。当输出电压u1比基准电压低2mv时，即芯片ic1的2脚比3脚低2mv(因为μa741的反应灵敏度为2mv)，芯片ic1的6脚输出高电平，控制v1和v2导通，以大电流为负载和有关滤波电容c2、c3等补充电能，很快使输出电压升到12v，即芯片ic1的2、3脚电位相等。其6脚输出低电压(2v)，v1、v2关闭，暂停供电。随着时间的增长，输出电压逐渐下降，又重复上述过程，周而复始，电源持续处于开关状态，并使输出电压u1始终稳定，遇到长时间阴雨天气导致t的电压降低到不足以维持电路运行时，经过电阻r2和电阻r3分压后的电压不足以维持三极管v3的导通，继电器k失电，其触点k-1接通，此时由蓄电池e供电电路正常启动的电压，实现双电源供电的目的。

本发明基于压缩感知的大型温室无线监测系统将压缩感知理论运用于温室系统内温度参数的采集。在信源处，即传感节点，进行压缩感知编码，经过信道传输，即传感器网络，最后在信宿处，即汇聚节点，进行压缩感知解码。运用压缩感知于无线传感器网络不仅大大降低了数据的通信量，而且很大程度上的节省了网络能耗，从而延长了网络生命周期，同时还使用具有光伏发电功能的双电源供电，节约能源，且功能稳定。