专利名称：监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备和系统的制作方法
技术领域：
本实用新型实施例涉及农作物参数采集传输与监控领域，尤其涉及一种监测农作 物参数的无线传感器网络采集节点设备和系统。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Network ；以下简称WSN)是由部署在检测区 域内大量的传感器节点通过无线通信的方式，相互联系，处理和传递信息的网络。该WSN可 以解决传统有线测控设施建设成本高、安装复杂、维护困难和影响作业环境等问题，同时还 可以提高设施农业的自动化控制和管理水平。随着具有无线化、小体积、低功耗和低成本等 优势的智能传感器节点的出现，基于ZigBee的WSN技术在农业测控领域具有十分广阔的应 用前景。另外，为了能够实现远程采集监控系统对无线传感器采集的农作物参数进行监 控，需要一种通信技术以适用于远程实时数据采集监控系统的传输。在现有技术中，由于通 用分组无线服务(General Packet RadioService ；以下简称GPRS)移动通信技术具有覆 盖面广、接入范围大、传输速率高、运行成本低等优点，因此，GPRS网络成为目前一种适用于 远程实时数据采集监控系统的传输方式，尤其是在农业测控领域中，对农业现场的温度、湿 度等农作物参数通过不同的无线传感器采集后，可利用GPRS移动通信技术将温度、湿度等 农作物参数发送到远程采集监控系统以进行监控。在现有技术中，对基于GPRS和ZigBee的农业模式正在进行大量研究。例如，一 种经由GPRS的无线传感器网络远程传输系统，通过采集设备中的每个通道分别与固定的 传感器相连接，以通过每个通道连接的传感器对农田中每个固定监测点实施固定的农作物 参数采集，并将采集到的农作物参数转换为数字信号，再通过ZigBee路由发送到数据汇聚 模块，由数据汇聚模块的RS232接口与GPRS通信模块相连接，以将数字信号发送给GRPS通 信模块，GRPS通信模块通过GPRS通信技术将数字信号发送到远程采集监控系统上。现有 技术还提出了一种基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息检测系统，通过GPRS/全 球移动通讯系统(Global System forMobile Communications ；以下简称GSM)与基于互联 网(Internet)的地理信息系统网络地理信息系统(WebGIS)服务器的GSM/GPRS发送接收 模块无线连接，实现了远程传输和浏览信息；其中，采集设备的每个通道只能与固定的传感 器相连接，即只能采集温度、湿度和PH值等农作物环境参数。现有技术中存在的问题在于现有的采集设备的每个通道只能连接固定的传感 器，即如果对农田中的一个监测点进行采集时，现有采集设备的每个通道连接的传感器只 能采集固定的农作物参数，如果还需要针对该监测点获取除上述固定几个农作物参数外的 其他农作物参数时，即需要更换采集设备或者更换采集设备中的软件，以便能够连接其他 传感器。由此分析可知，现有的采集设备通用性差，即现有的采集设备针对一个监测点无法 获取更多的农作物参数。
实用新型内容本实用新型实施例提供一种监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备和 系统，用以解决现有技术中采集节点设备无法对一个监测点获取更多的农作物参数的缺 陷，从而提高了采集节点设备的通用性。本实用新型实施例提供一种监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备， 包括传感器，用于采集农作物生理、生长及环境参数；微处理器，与所述传感器相连接，用于对传感器通过相应通道传输的模拟信号通 过对应的A/D转换公式进行A/D转换；所述对应的A/D转换公式为根据所述相应通道的通 道标识对应的传感器类型选择得到的公式；ZigBee通信模块，与所述微处理器相连接，用于将所述微处理器的转换结果发送 给无线传感器网络的汇聚节点后再传送至远程服务器。在本实用新型的一实施例中，上述传感器为空气温度传感器、空气湿度传感器、湿 度传感器、植株茎流传感器、植物茎干直径传感器、叶片厚度传感器、叶片水分传感器或叶 表面温度传感器。本实用新型还提供了一种监测农作物参数的无线传感器网络系统，包括至少一个 ZigBee路由、汇聚模块、GRPS通信模块、远程服务器，其特征在于，还包括至少一个上述所 述的监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备；所述远程服务器，通过互联网和GPRS网络与所述GPRS通信模块相连接，用于预先 设置所述配置消息，并将所述配置消息发送给所述GRPS通信模块；并接收由所述GPRS通信 模块发送的转换结果。在本实用新型的一实施例中，上述汇聚模块通过RS232接口与所述GRPS通信模块 相连接。本实用新型实施例的监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备和系统，用 于根据每个通道的通道标识，选择与所述通道标识对应的A/D转换公式，并根据该A/D转换 公式对接收到的通道标识对应的通道模拟信号进行A/D转换，并将得到的转换结果发送给 无线传感器网络的汇聚节点后再传送至远程服务器。从而可以实现采集节点设备实现合理 配置每个通道，以便采集多种农作物生理、生长及环境参数，进而解决了现有技术中无线传 感器采集节点设备无法动态配置的缺陷，实现了网络中的任一个监测点获取更多的农作物 生理、生长及环境参数的缺陷，并提高了采集节点设备的通用性。
为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是 本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本实用新型实施例一提供的监测农作物参数的无线传感器网络采集节点 设备结构示意图；图2为本实用新型实施例二提供的监测农作物参数的无线传感器网络系统的结 构示意图。[0020]具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新 型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描 述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施 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他实施例，都属于 本实用新型保护的范围。实施例一图1为本实用新型实施例一提供的监测农作物参数的无线传感器网络采集节点 设备结构示意图，如图1所示，该采集节点设备包括传感器11、微处理器12和ZigBee通信 模块13 ；其中，传感器11可用于采集农作物生理、生长及环境参数，如空气湿度、空气温度、 温度、植株茎流、植物茎干直径、叶片厚度.叶片水分、叶表面温度等，通常将采集空气湿度 参数的传感器称为空气湿度传感器，采集空气温度参数的传感器称为空气温度传感器，采 集温度参数的传感器称为温度传感器，采集植株茎流参数的传感器称为植株茎流传感器， 采集植物茎干直径参数的传感器称为植物茎干直径传感器，采集叶片厚度参数的传感器称 为叶片厚度传感器，采集叶片水分参数的传感器称为叶片水分传感器，采集叶表面温度参 数的传感器称为叶表面温度传感器。微处理器12与传感器11连接，用于对传感器11通过相应通道传输的模拟信号通 过对应的A/D转换公式进行A/D转换，并生成对应的数字信号；对应的A/D转换公式为根 据相应通道的通道标识对应的传感器类型选择得到的公式；微处理器12再根据每个通道 生成的数字信号，生成转换结果，在本实施例中，转换结果可以为数据包，该数据包除了第 一字节表示采集节点设备标识外，其余每两个字节表示来自一个通道A/D转换后的数字信 号；ZigBee通信模块13与微处理器12相连接，用于将微处理器12转换得到的转换结果发 送给无线传感器网络的汇聚节点后再传送至远程服务器，以使远程服务器对农作物生长环 境进行监控。在本实施例中，采集节点设备的每个通道可以连接不同的传感器，例如，根据监测 的需要，采集节点设备的第一通道可以连接空气湿度传感器，还可以连接空气温度传感器、 温度传感器、植株茎流传感器、植物茎干直径传感器、叶片厚度传感器、叶片水分传感器或 叶表面温度传感器等。当采集节点设备的第一通道连接空气湿度传感器时，ZigBee通信模 块13就会接收到第一通道标识对应的传感器类型，这样，微处理器12根据ZigBee通信模 块13接收到的第一通道标识对应的传感器类型，即空气湿度传感器，选择与之对应的A/D 转换公式，对来自第一通道的模拟信号进行A/D转换，生成相对应的数字信号，即实现了对 空气湿度参数的采集。当采集节点设备连接的传感器发生变化时，例如，采集节点设备的 第一通道连接的传感器为温度传感器时，ZigBee通信模块13就会接收远程服务器发送的 第一通道的标识和第一通道标识对应的传感器类型，此时的传感器类型为温度传感器，微 处理器12根据ZigBee通信模块13接收到的第一通道标识对应的传感器类型，即温度传感 器，选择与之对应的A/D转换公式，对来自第一通道的模拟信号进行A/D转换，生成相对应 的数字信号，即实现了对温度参数的采集。这样，采集节点设备的每一个通道都可以连接不同的传感器，并根据远程服务器 发送的配置消息，选择与传感器类型对应的A/D转换公式，从而可以在不改变采集节点设备的硬件接口和结构，以及更换采集节点设备的情况下，对每一个通道在连接的不同的传 感器时所采集到的模拟信号进行A/D转换，生成相对应的数字信号，即实现了一个通道可 以对多个农作物生理、生长及环境参数的采集。具体的，在本实施例中，采集节点设备可以采用低功耗的CC2430系列无线通信芯 片，并结合了一个高性能的2. 4GHz直接序列扩频(DSSS)射频收发器和一颗工业级小巧、高 效的8051控制器；并在该芯片上集成ZigBee射频前端、内存和8051微控制器和A/D转换
ο在本实施例中，监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备用于根据通道的 通道标识，选择与该通道标识对应的传感器类型，并通过该传感器类型获取与该传感器类 型对应的A/D转换公式，并根据该A/D转换公式对来自通道标识对应的通道的模拟信号进 行A/D转换。从而可以实现采集节点设备的每个通道采集多种农作物生理、生长及环境参 数，进而解决了现有技术中采集节点设备无法实现对一个监测点获取更多的农作物生理、 生长及环境参数的缺陷，进而提高了采集节点设备的通用性。进一步的，在上述实施例一的基础上，监测农作物参数的无线传感器网络采集节 点设备的微处理器12还用于根据采集周期指令指示的采集周期对农作物生理、生长及环 境参数进行采集。在本实施例中，微处理器12根据采集周期指令，实现每隔固定时间对每个通道标 识对应的通道模拟信号进行A/D转换。例如，以采集节点设备的第一通道为例，微处理器12 根据采集周期指令的指示采集周期，对来自第一通道的农作物生理、生长及环境参数模拟 信号进行A/D转换，从而在每隔固定时间内获取相应的数字信号。更进一步的，为了能够满足采集节点设备的每个通道连接更多的传感器，采集节 点设备的微处理器12还用于更新传感器类型和传感器类型对应的A/D转换公式，并存储更 新后的传感器类型和传感器类型对应的A/D转换公式。这样，采集节点设备的每个通道便 能够连接更多的传感器，从而使采集节点设备对监测点实现多农作物生理、生长及环境参 数的采集。本实施例的采集节点设备，不仅可以根据接收到的采集周期指令，动态的对来自 通道标识对应的通道模拟信号进行A/D转换，并将转换结果按照采集周期发送给远程服务 器；还使采集节点设备的每个通道根据监测的需要，连接各种不同的传感器类型，从而有效 的提高了农业生产效率。实施例二图2为本实用新型实施例二提供的监测农作物参数的无线传感器网络系统的结 构示意图，在上述实施例一的基础上，如图2所示，该系统包括至少一个ZigBee路由202、 汇聚模块203、GRPS通信模块204和远程服务器205 ；其中，还包括至少一个上述任一实施 例所述的采集节点设备201 ；远程服务器205通过互联网(Internet)和GPRS网络与GRPS 通信模块204相连接，用于预先设置配置消息，并将配置消息发送给GRPS通信模块204 ；并 接收由GPRS通信模块204发送的转换结果，该转换结果可以为上述实施例中的数据包，并 且在GPRS通信模块204中转换为IP数据包。在本实施例中，根据监测需要，为采集节点设备201的每个通道连接不同的传感 器，并组件运行ZigBee协议的无线传感器网络；同时，远程服务器205可以为通过以太网连入Internet中的一台具有固定IP的计算机，远程服务器205通过串口连接GPRS通信模块 204，GPRS通信模块204在通过AT指令设置与汇聚模块203相互传输波特率，同时还将GPRS 通信模块204设置为透明传输模式。这样，GPRS通信模块204通过串口与汇聚模块203相 连接，且通过GPRS通信模块204本身的无线收发模块与远程服务器205进行通信连接。从 而实现了远程监测农作物的生长环境。具体的，远程服务器205根据监测需要，设置配置消息，该配置消息包括通道标 识和通道标识对应的传感器类型；远程服务器205再将该配置消息发送给GPRS通信模块 204，GPRS通信模块204在通过串口与汇聚模块203相连接，从而将配置消息发送给汇聚模 块203，汇集模块203再通过至少一个ZigBee路由202发送给采集节点设备201，采集节点 设备201根据监测需要和接收到的配置消息，获取每个通道的传感器类型对应的A/D转换 公式，以对来自每个通道的农作物生理、生长及环境参数进行A/D转换。采集节点设备201 再将获取的每个通道的数字信号生成数据包，通过至少一个ZigBee路由202发送给汇聚模 块203，汇聚模块203可以通过串口 RS232与GPRS通信模块204相连接，将数据包发送给 GPRS通信模块204，GPRS通信模块204再将数据包生成IP数据包后，发送至指定IP地址 的Internet上远程服务器205。远程服务器205对接收到的IP数据包进行判断，以判断IP数据包是否丢包，若没 有丢包，则将IP数据包格式化为字符串数据，并通过截断字符串的数据的方法，获取每个 通道连接的传感器采集的农作物生理、生长及环境参数；在本实施例中，远程服务器205还 可以将获取到的通道标识对应的传感器采集的农作物生理、生长及环境参数，显示在远程 服务器205的显示屏上，并绘制网络拓扑结构图。具体的，在本实施例中，GPRS通信模块204可以采用GPRS DTU，其型号可以具体为 GF-2008AW,该GF-2008AW内置西门子MC39i，支持TCP/IP协议，并提供标准的RS232/485/ TTL接口，可以直接与各种工业现场的汇聚模块203相连接。由于GPRS通信模块204采用透 明的传输方式，从而使非IP的GPRS通信模块204可以通过串口实现GRPS网络和Internet 网络接入，或通道移动基站和Internet进行通讯，实现GPRS通信模块204与远程服务器 205的通讯。更为具体的，由于GPRS通信模块204通过AT指令实现透明的传输方式，从而 保证了与远程服务器205的服务器进行正确的TCP连接，以确保GPRS网络能够与Internet 互联。在本实施例中，监测农作物参数的无线传感器网络系统根据预先设置的通道标识 和通道标识对应的传感器标识的配置消息，通过将该配置消息发送到采集节点设备上，从 而监测该采集节点设备并获取农作物生理、生长及环境参数，该配置消息可以根据实际需 要预先设置，进而使采集节点设备的每个通道可以监测多种农作物生理、生长及环境参数， 从而实现了对一个监测点可以获取更多的农作物生理、生长及环境参数，进而提高了采集 设备的通用性，同时提高了系统监测的灵活性和多样性。进一步的，该系统的远程服务器205还用于将预先设置的采集周期指令发送给 GRPS通信模块204。具体的，在由GPRS通信模块204通过串口将该采集周期指令发送给汇 聚模块203，汇聚模块203将该采集周期指令通过ZigBee网络和ZigBee路由202发送给采 集节点设备201，由采集节点设备201根据采集周期指令，对来自通道标识对应的通道模拟 信号按照采集周期进行A/D转换。从而可以实现一个监测点多个农作物生理、生长及环境
7参数同时采集，并能动态实时数据显示。更进一步的，为了便于远程服务器205能够对接收到的农作物生理、生长及环 境参数进行历史查询，该远程服务器205还用于存储下行的配置消息和获取到的每个通 道连接的传感器采集的农作物生理、生长及环境参数。具体的，远程服务器205的数据 库可以为“SQL SERVER”数据库；更为具体的，远程服务器205的数据库还可以为“SQL SERVER2000”数据库服务器，该“SQLSERVER2000”数据库服务器中存储有表单，以将发送给 采集节点设备201的配置消息和该采集节点设备201每个通道获取的农作物参数存储在该 表单中。这样，用户还可以通过数据库访问并进行Web发布。本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过 程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序 在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括R0M、RAM、磁碟或者 光盘等各种可以存储程序代码的介质。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解: 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等 同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术 方案的精神和范围。
权利要求一种监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备，其特征在于，包括传感器，用于采集农作物生理、生长及环境参数；微处理器，与所述传感器相连接，用于对所述传感器通过相应通道传输的模拟信号通过对应的A/D转换公式进行A/D转换；所述对应的A/D转换公式为根据所述相应通道的通道标识对应的传感器类型选择得到的公式；ZigBee通信模块，与所述微处理器相连接，用于将所述微处理器的转换结果发送给无线传感器网络的汇聚节点后再传送至远程服务器。
2.根据权利要求1所述的监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备，其特征在 于，所述传感器为空气温度传感器、空气湿度传感器、湿度传感器、植株茎流传感器、植物茎 干直径传感器、叶片厚度传感器、叶片水分传感器或叶表面温度传感器。
3.一种监测农作物参数的无线传感器网络系统，包括至少一个ZigBee路由、汇聚模 块、GRPS通信模块、远程服务器，其特征在于，还包括至少一个如权利要求1 2任一所述 的监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备；所述远程服务器，通过互联网和GPRS网络与所述GPRS通信模块相连接，用于预先设置 配置消息，并将所述配置消息发送给所述GRPS通信模块；并接收由所述GPRS通信模块发送 的转换结果。
4.根据权利要求3所述的监测农作物参数的无线传感器网络系统，其特征在于，所述 汇聚模块通过RS232接口与所述GRPS通信模块相连接。
专利摘要本实用新型提供一种监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备和系统。该设备包括传感器用于采集农作物参数；微处理器与传感器相连接，用于对传感器通过相应通道传输的模拟信号通过对应的A/D转换公式进行A/D转换；对应的A/D转换公式为根据相应通道的通道标识对应的传感器类型选择得到的公式；ZigBee通信模块与微处理器相连接，用于将微处理器的转换结果发送给无线传感器网络的汇聚节点后再传送至远程服务器。从而可以使采集节点设备实现合理配置每个通道，以便采集多种农作物参数，进而解决了现有技术中无线传感器网络采集节点设备无法动态配置的缺陷，实现了网络中的任一个监测点可以根据实际获取更多的农作物参数，提高了采集节点设备的通用性。
文档编号H04W84/18GK201680857SQ20092035077
公开日2010年12月22日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者师玉玲, 李军, 王忠义, 黄岚 申请人:中国农业大学