一种耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化方法及系统与流程

本发明涉及耕地质量检测技术领域，尤其涉及一种耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化方法及系统。

背景技术：

耕地质量监测数据对农业的生产、生态以及农产品安全具有重大意义；一套有效的耕地质量监测系统可以为种植品种的选取、种植方式的改进、农用地污染预警、耕地质量评价、农用地生态监测等生产和学术研究提供长期监测数据；国土资源部和农业部在很久以前就开展了耕地质量监测项目，但是靠人工采样的全国普查数据的周期较长、成本大、监测点少，监测效果不理想，因此需要实现耕地质量监测自动化；耕地质量自动监测的常规方法是在监测区域内部署无线传感器网络。

常规的无线传感器网络信号是沿地面节点向汇聚节点传播，因此存在障碍多、能耗大等瓶颈；沿着地面网络节点传播的无线信号容易被地面山林、植被、水体等地物吸收，信号衰减厉害、能量损失大；因此近年来国内外的许多项目大都是研究无线传感器网络信号的沿地面传输的能耗及信号衰减问题；很多专家们致力于信号沿地面传输汇聚时衰减的研究。郭秀明，赵春江等研究了苹果成熟时苹果园中无线传感器网络节点在地面不同高度的信号衰减和丢包情况，分析出苹果园中的信号路径损耗模型，并确定了苹果园中天线最宜部署的高度；徐兴元，章玥等基于shadowing信号衰减模型，分别测试和分析湖泊、草地、农田、树林4中不同农业环境中沿地面接收信号强度指标与传输距离间的变化特征。

针对传统无线传感器网路信号传输中，农田地物障碍、信号衰减严重的瓶颈，本研究彻底颠覆了信号沿地面中继节点传输汇聚的组网方式，提出地面采集节点直接地对空无人机移动汇聚式的立体无线传感器组网方式，这就规避了常规无线传输中的地物障碍问题，但它却凸显了空间移动汇聚的汇聚策略的难点。

与平面逐级汇聚比较，空间移动汇聚难点：被汇聚的节点多且排列无序、节点间距远，汇聚节点必须在无地界、无地物参照的三维空间搜索，这将面对严重的漏检、丢包、多路径选择等难点，且用无人机搭载的移动汇聚节点在空中的时间很有限，所以，空中移动汇聚的优化路径设计是非常必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化方法及系统，可以有效的解决无人机飞行路径设计不当，汇聚效率低，丢包率大的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化方法，所述方法包括：

获取需要向无人机进行发送数据的耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息；

对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群；

分别在所述若干个地理位置集群内的耕地质量监测的无线传感器网络节点进行临近节点最短距离遍历连通图处理，获取无线传感器网络节点的遍历连通图；

通过起飞无人机搭载移动汇聚节点按照所述遍历连通图对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历，获取无线传感器网络节点的监测数据。

可选的，所述无人机搭载有用于获取耕地质量监测的无线传感器网络节点地面监测数据的移动汇聚节点；

所述无人机为机身重量为1242kg、最大上升速度6m/s，最大下降速度2m/s、最大平飞速度15m/s、悬停时间小于20分钟的无人机。

可选的，所述耕地质量监测的无线传感器网络节点采用cc2530节点；

所述耕地质量监测的无线传感器网络节点分别与土壤含水量检测模块、土壤温度检测模块、水体ph至检测模块、盐度检测模块、大气温度检测模块、大气湿度检测模块和光照强度检测模块相连接。

可选的，所述对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群，包括：

基于spssstatistics统计软件中的聚类操作对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群。

可选的，所述分别在所述若干个地理位置集群内的耕地质量监测的无线传感器网络节点进行临近节点最短距离遍历连通图处理，获取无线传感器网络节点的遍历连通图，包括：

以所述若干个地理位置集群内的每一个耕地质量监测的无线传感器网络节点为中心，搜索与该耕地质量监测的无线传感器网络节点最邻近的第一耕地质量监测的无线传感器网络节点，并以实线相连接，获取实线连接图；

在实现连接图中采用虚线在最近距离的实线连接端点与端点进行连接，获取无线传感器网络节点的遍历连通图；

所述耕地质量监测的无线传感器网络节点的遍历连通图为耕地质量监测的无线传感器网络节点的临近节点最短距离遍历连通图。

可选的，所述通过起飞无人机搭载移动汇聚节点按照所述遍历连通图对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历，获取无线传感器网络节点的监测数据，包括：

起飞无人机搭载移动汇聚节点按照所述遍历连通图逐一对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历，获取无线传感器网络节点的监测数据。

另外，本发明实施例还提供了一种耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化系统，所述系统包括：

位置获取模块：用于获取需要向无人机进行发送数据的耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息；

聚类模块：用于对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群；

遍历连通图处理模块：用于分别在所述若干个地理位置集群内的耕地质量监测的无线传感器网络节点进行临近节点最短距离遍历连通图处理，获取无线传感器网络节点的遍历连通图；

飞行遍历模块：用于通过起飞无人机搭载移动汇聚节点按照所述遍历连通图对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历，获取无线传感器网络节点的监测数据。

可选的，所述聚类模块：用于基于spssstatistics统计软件中的聚类操作对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群。

可选的，所述遍历连通图处理模块包括：

实线连接单元：用于以所述若干个地理位置集群内的每一个耕地质量监测的无线传感器网络节点为中心，搜索与该耕地质量监测的无线传感器网络节点最邻近的第一耕地质量监测的无线传感器网络节点，并以实线相连接，获取实线连接图；

虚线连接单元：用于在实现连接图中采用虚线在最近距离的实线连接端点与端点进行连接，获取无线传感器网络节点的遍历连通图；

所述耕地质量监测的无线传感器网络节点的遍历连通图为耕地质量监测的无线传感器网络节点的临近节点最短距离遍历连通图。

可选的，所述飞行遍历模块：用于起飞无人机搭载移动汇聚节点按照所述遍历连通图逐一对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历，获取无线传感器网络节点的监测数据。

在本发明实施例中的，首先确定耕地质量监测的无线传感器网络节点的位置信息，然后进行聚类，在获取聚类结果之后，进行临近节点最短距离遍历连通图处理，获取耕地质量监测的无线传感器网络节点的遍历连通图；用无人机搭载的移动汇聚节点在空中直接对地遍历每一个无线传感器网络节点以汇聚节点采集到的信息，所以必须优化设计遍历的飞行路径，通过起飞无人机按照所述遍历连通图对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历；解决了通过地面中继节点回家信号衰减大，数据丢包率大的问题，也解决了通过空中汇聚地面节点的过程中，若飞行路线设计不当，其汇聚效率低，丢包率大的问题；并且该遍历过程中，将大大降低无人机所需要飞行路径长度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中的耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化方法流程示意图；

图2是本发明实施例中的耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化系统的结构组成示意图；

图3是本发明实施例中的汇聚路径优化的遍历连通图；

图4是本发明实施例中的基于栅格法的移动汇聚路径规划图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅图1，图1是本发明实施例中的耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化方法流程示意图。

如图1所示，一种耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化方法，所述方法包括：

s11：获取需要向无人机进行发送数据的耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息；

在本发明具体实施过程中，所述无人机搭载有用于获取耕地质量监测的无线传感器网络节点地面监测数据的移动汇聚节点；所述无人机为机身重量为1242kg、最大上升速度6m/s，最大下降速度2m/s、最大平飞速度15m/s、悬停时间小于20分钟的无人机。

所述耕地质量监测的无线传感器网络节点采用cc2530节点；所述耕地质量监测的无线传感器网络节点分别与土壤含水量检测模块、土壤温度检测模块、水体ph至检测模块、盐度检测模块、大气温度检测模块、大气湿度检测模块和光照强度检测模块相连接。

其中，所述无人机搭载有用于与耕地质量监测的无线传感器网络节点信号连接的移动汇聚节点也为采用cc2530节点。

具体的，cc2530节点在开阔地的传送距离可以达到200米，在通过多次试验之后，发现无人机在飞行高度为80米时，进行无线传感器网络的信息汇聚的效果较优，所以，移动汇聚节点的基准高度是80米，即无人机的飞行高度为80米。

若需要监测某一区域内的耕地质量，则需要在该区域内安装用于监测耕地质量的传感器和与传感器相连接的耕地质量监测的无线传感器网络节点，耕地质量监测的无线传感器网络节点是用于将传感器上采集到的数据上传；在安装耕地质量监测的无线传感器网络节点时，需要获取所安装在的地理位置信息；在需要的时候，直接在位置信息数据库中调用，即可获取相关区域内的耕地质量监测的无线传感器网络节点的对应的地理位置信息。

s12：对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群；

在本发明具体实施过程中，所述对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群，包括：基于spssstatistics统计软件中的聚类操作对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群。

为了后续的遍历的复杂度降低，在遍历之前，首选安装地面的耕地质量监测的无线传感器网络节点的地理位置信息进行聚类，从而获取若干个地理位置集群，每个地理位置集群中的耕地质量监测的无线传感器网络节点之间的普通连接距离不能超过所用的无人机所能飞行的总距离。

具体的，行地理位置聚类处理，是基于spssstatistics统计软件中的聚类操作对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理。

s13：分别在所述若干个地理位置集群内的耕地质量监测的无线传感器网络节点进行临近节点最短距离遍历连通图处理，获取无线传感器网络节点的遍历连通图；

在本发明具体实施过程中，所述分别在所述若干个地理位置集群内的耕地质量监测的无线传感器网络节点进行临近节点最短距离遍历连通图处理，获取无线传感器网络节点的遍历连通图，包括：以所述若干个地理位置集群内的每一个耕地质量监测的无线传感器网络节点为中心，搜索与该耕地质量监测的无线传感器网络节点最邻近的第一耕地质量监测的无线传感器网络节点，并以实线相连接，获取实线连接图；在实现连接图中采用虚线在最近距离的实线连接端点与端点进行连接，获取无线传感器网络节点的遍历连通图；所述耕地质量监测的无线传感器网络节点的遍历连通图为耕地质量监测的无线传感器网络节点的临近节点最短距离遍历连通图。

具体的，如图3是本发明实施例中的汇聚路径优化的遍历连通图。如图3所示，以图中的每一个耕地质量监测的无线传感器网络节点为中心，搜索与该耕地质量监测的无线传感器网络节点最邻近的耕地质量监测的无线传感器网络节点，在获取搜索结果之后，采用黑色实线间两个耕地质量监测的无线传感器网络节点连接起来；如图3中的l点最邻近的是m点，采用黑色实线将l点和m点连接起来；m点最邻近的是l点，用黑色实线连接；通路同理n连o,o连g,g连f,f连e,而e又连回f。

再把个黑色实线连接的耕地质量监测的无线传感器网络节点之后的未连接的端与端之间最邻近的距离点用黑色虚线连接，形成耕地质量监测的无线传感器网络节点的遍历连通图。

s14：通过起飞无人机搭载移动汇聚节点按照所述遍历连通图对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历，获取无线传感器网络节点的监测数据。

在本发明具体实施过程中，所述通过起飞无人机搭载移动汇聚节点按照所述遍历连通图对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历，获取无线传感器网络节点的监测数据，包括：起飞无人机按照所述遍历连通图逐一对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历，获取无线传感器网络节点的监测数据。

具体的，无人机搭载移动汇聚节点按照遍历连通图逐一对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历；其遍历路径如图3所示，无人机飞行遍历汇聚路径：a-b-d-c-e-f-g-0-n-m-l-k-j-i-h,所以，其路径长度l＝ab+bd+dc+ce+ef+fg+go+0n+nm+ml+lk+kj+ji+ih＝35.294km。在本发明实施例中，本发明不是典型的最短路径问题，所以不能采取全局的最短路径方法，通过本发明实施例中的方法，汇聚路径优化方法简单、适用、灵活性强，能较好地优化了空中汇聚路径。

按照图3所示的路径进行无人机搭载移动汇聚节点遍历其遍历所需要飞行的路径长度在35.294km；请参阅图4，图4是本发明实施例中的基于栅格法的移动汇聚路径规划图；在最常用的空中移动汇聚方法中的基于栅格法的移动汇聚路径规划图中，如图4所示，在图中无人机搭载移动汇聚节点按栅格从左到右逐列扫描，无人机移动汇聚路径：a-b-d-c-e-f-g-0-n-h-i-m-l-k-j,所以，其路径长度l＝ab+bd+dc+ce+ef+fg+go+0n+nh+hi+im+ml+lk+kj＝43.3km；优化路径长度与常规的栅格法路径长度的比＝35.29/43.3＝81.5％。计算结果是优化路径方法比常规的栅格法路径长度节省了18.5％。

在本发明实施例中的，首先确定耕地质量监测的无线传感器网络节点的位置信息，然后进行聚类，在获取聚类结果之后，进行临近节点最短距离遍历连通图处理，获取耕地质量监测的无线传感器网络节点的遍历连通图；用无人机搭载的移动汇聚节点在空中直接对地遍历每一个无线传感器网络节点以汇聚节点采集到的信息，所以必须优化设计遍历的飞行路径，通过起飞无人机按照所述遍历连通图对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历；解决了通过地面中继节点回家信号衰减大，数据丢包率大的问题，也解决了通过空中汇聚地面节点的过程中，若飞行路线设计不当，其汇聚效率低，丢包率大的问题；并且该遍历过程中，将大大降低无人机所需要飞行路径长度。

实施例：

请参阅图2，图2是本发明实施例中的耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化系统的结构组成示意图。

如图2所示，一种耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化系统，所述系统包括：

位置获取模块11：用于获取需要向无人机进行发送数据的耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息；

在本发明具体实施过程中，所述无人机搭载有用于获取耕地质量监测的无线传感器网络节点地面监测数据的移动汇聚节点；所述无人机为机身重量为1242kg、最大上升速度6m/s，最大下降速度2m/s、最大平飞速度15m/s、悬停时间小于20分钟的无人机。

所述耕地质量监测的无线传感器网络节点采用cc2530节点；所述耕地质量监测的无线传感器网络节点分别与土壤含水量检测模块、土壤温度检测模块、水体ph至检测模块、盐度检测模块、大气温度检测模块、大气湿度检测模块和光照强度检测模块相连接。

其中，所述无人机搭载有用于与耕地质量监测的无线传感器网络节点信号连接的移动汇聚节点也为采用cc2530节点。

具体的，cc2530节点在开阔地的传送距离可以达到200米，在通过多次试验之后，发现无人机在飞行高度为80米时，进行无线传感器网络的信息汇聚的效果较优，所以，移动汇聚节点的基准高度是80米，即无人机的飞行高度为80米。

若需要监测某一区域内的耕地质量，则需要在该区域内安装用于监测耕地质量的传感器和与传感器相连接的耕地质量监测的无线传感器网络节点，耕地质量监测的无线传感器网络节点是用于将传感器上采集到的数据上传；在安装耕地质量监测的无线传感器网络节点时，需要获取所安装在的地理位置信息；在需要的时候，直接在位置信息数据库中调用，即可获取相关区域内的耕地质量监测的无线传感器网络节点的对应的地理位置信息。

聚类模块12：用于对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群；

在本发明具体实施过程中，所述聚类模块12：用于所述对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群，包括：基于spssstatistics统计软件中的聚类操作对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理，形成若干个地理位置集群。

为了后续的遍历的复杂度降低，在遍历之前，首选安装地面的耕地质量监测的无线传感器网络节点的地理位置信息进行聚类，从而获取若干个地理位置集群，每个地理位置集群中的耕地质量监测的无线传感器网络节点之间的普通连接距离不能超过所用的无人机所能飞行的总距离。

具体的，行地理位置聚类处理，是基于spssstatistics统计软件中的聚类操作对所述耕地质量监测的无线传感器网络节点在地图上的地理位置信息进行地理位置聚类处理。

遍历连通图处理模块13：用于分别在所述若干个地理位置集群内的耕地质量监测的无线传感器网络节点进行临近节点最短距离遍历连通图处理，获取无线传感器网络节点的遍历连通图；

在本发明具体实施过程中，所述遍历连通图处理模块13包括：实线连接单元：用于以所述若干个地理位置集群内的每一个耕地质量监测的无线传感器网络节点为中心，搜索与该耕地质量监测的无线传感器网络节点最邻近的第一耕地质量监测的无线传感器网络节点，并以实线相连接，获取实线连接图；虚线连接单元：用于在实现连接图中采用虚线在最近距离的实线连接端点与端点进行连接，获取无线传感器网络节点的遍历连通图；所述耕地质量监测的无线传感器网络节点的遍历连通图为耕地质量监测的无线传感器网络节点的临近节点最短距离遍历连通图。

具体的，如图3是本发明实施例中的汇聚路径优化的遍历连通图。如图3所示，以图中的每一个耕地质量监测的无线传感器网络节点为中心，搜索与该耕地质量监测的无线传感器网络节点最邻近的耕地质量监测的无线传感器网络节点，在获取搜索结果之后，采用黑色实线间两个耕地质量监测节点连接起来；如图3中的l点最邻近的是m点，采用黑色实线将l点和m点连接起来；m点最邻近的是l点，用黑色实线连接；通路同理n连o,o连g,g连f,f连e,而e又连回f。

再把个黑色实线连接的耕地质量监测的无线传感器网络节点之后的未连接的端与端之间最邻近的距离点用黑色虚线连接，形成耕地质量监测的无线传感器网络节点的遍历连通图。

飞行遍历模块14：用于通过起飞无人机搭载移动汇聚节点按照所述遍历连通图对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历，获取无线传感器网络节点的监测数据。

在本发明具体实施过程中，所述飞行遍历模块14：用于起飞无人机搭载移动汇聚节点按照所述遍历连通图逐一对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历，获取无线传感器网络节点的监测数据。

具体的，无人机搭载移动汇聚节点按照遍历连通图逐一对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历；其遍历路径如图3所示，无人机飞行遍历汇聚路径：a-b-d-c-e-f-g-0-n-m-l-k-j-i-h,所以，其路径长度l＝ab+bd+dc+ce+ef+fg+go+0n+nm+ml+lk+kj+ji+ih＝35.294km。在本发明实施例中，本发明不是典型的最短路径问题，所以不能采取全局的最短路径方法，通过本发明实施例中的方法，汇聚路径优化方法简单、适用、灵活性强，能较好地优化了空中汇聚路径。

按照图3所示的路径进行无人机搭载移动汇聚节点遍历其遍历所需要飞行的路径长度在35.294km；请参阅图4，图4是本发明实施例中的基于栅格法的移动汇聚路径规划图；在最常用的空中移动汇聚方法中的基于栅格法的移动汇聚路径规划图中，如图4所示，在图中无人机搭载移动汇聚节点按栅格从左到右逐列扫描，无人机移动汇聚路径：a-b-d-c-e-f-g-0-n-h-i-m-l-k-j,所以，其路径长度l＝ab+bd+dc+ce+ef+fg+go+0n+nh+hi+im+ml+lk+kj＝43.3km；优化路径长度与常规的栅格法路径长度的比＝35.29/43.3＝81.5％。计算结果是优化路径方法比常规的栅格法路径长度节省了18.5％。

在本发明实施例中的，首先确定耕地质量监测的无线传感器网络节点的位置信息，然后进行聚类，在获取聚类结果之后，进行临近节点最短距离遍历连通图处理，获取耕地质量监测的无线传感器网络节点的遍历连通图；用无人机搭载的移动汇聚节点在空中直接对地遍历每一个无线传感器网络节点以汇聚节点采集到的信息，所以必须优化设计遍历的飞行路径，通过起飞无人机按照所述遍历连通图对耕地质量监测的无线传感器网络节点进行飞行遍历；解决了通过地面中继节点回家信号衰减大，数据丢包率大的问题，也解决了通过空中汇聚地面节点的过程中，若飞行路线设计不当，其汇聚效率低，丢包率大的问题；并且该遍历过程中，将大大降低无人机所需要飞行路径长度。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

另外，以上对本发明实施例所提供的一种耕地质量监测节点的无人机遍历航线优化方法及系统进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。