基于无线传感器网络的茶园微域监控方法与系统

摘要

本发明涉及一种基于无线传感器网络的茶园微域监控方法与系统。无线传感器网络节点和传感器板连接在一起，构成一个监测点。传感器板将检测到的数据传送给节点，节点经过处理后，将数据以无线的形式发射出去。监测区域中的节点通过无线射频建立网络。最后，节点将数据发送到汇聚节点。汇聚节点通过网关和服务器连接。服务器中的监测软件对数据进行分析，处理，并显示数据和保存。客户端可以通过Internet访问服务器，并可以在客户端查看监测到的原始数据和数据曲线。本发明能监测各种关键气候因素对茶叶生长的影响，建立气候因素和茶叶品质与产量的关系模型，进行茶叶产量、品质的预报和冻害、虫害的预警，提高茶园单产效益。

权利要求

1、一种基于无线传感器网络的茶园微域监控方法，其特征在于该方法的步 骤如下：

1)完成节点的制作，并通过avr仿真器下载Surge_Reliable协议程序；

2)将这些节点插上传感器板，构成一个监测点，打开电源，使其处于工作状 态，然后布置在茶园中；

3)选择其中一个节点为汇聚节点，它与网关直接相连，网关通过串口和服务 器相连接；

4)在服务器上启动Matlab，在命令窗口中输入MatTOS即可运行服务器端程 序；

5)远程客户打开远程客户端软件，在连接窗口中输入服务器的IP地址和服 务器广播数据的端口号，连接成功后可开始访问服务器数据；

6)选择服务器软件界面和远程客户端软件界面的工具按钮，完成原始数据读 取，数据曲线和拓扑图绘制，数据保存。

2、根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的茶园微域监控方法， 其特征在于：由于无线通信范围有限，所述的节点产生的数据包并非直接到达 汇聚节点，而是以多跳的方式在节点之间由远及近传输，并最终为汇聚节点接 收，路由过程采用Surge_Reliable协议，它是一种自发式的寻优过程，各节点通 过分析历史数据，从邻居中选出通信可靠并且总体代价较小的节点作为父节点， 向它发送数据。

3、根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的茶园微域监控方法， 其特征是：所述的监测点能实时监测茶园中温度，湿度，光照数据，同时能监 测各节点的电量。

4、一种基于无线传感器网络的茶园微域监控系统，该系统包括多个传感器 节点，传感器板，以及服务器软件和远程客户端软件，传感器板和传感器节点 插接在一起，构成一个监测点，传感器节点之间通过无线信道连接成网络，最 后数据传送到汇聚节点，汇聚节点通过网关和服务器相连接，对数据进行显示， 保存和评估，远程客户通过internet和远程客户端软件访问服务器；其特征在于：所述的传感器节点包括射频板和主板，射频板中的CC2420无线通信芯片通 过阻抗匹配电路和天线相连接；主板中的Atmega128L微处理器芯片分别与外部 flash存储器、LED灯、51脚I/O接插件、JTAG接口和经电平转换芯片与串口 连接，射频板通过12脚接插件与主板连接，电源给主板供电；

所述的服务器软件包括6个部分：串口交互部分是最底层的串口功能部分， 采用Java编写；串口读取操作部分完成Java与MATLAB的协作，控制串口读 写过程；数据包显示部分对读入的原始数据进行解析，将有用数据部分显示出 来，同时将读取过程的相关信息显示出来；绘制数据曲线及拓扑结构图部分完 成光强、温度和声强数据的曲线绘制，以及网络拓扑结构图的绘制；数据保存 和打开已保存的数据部分实现数据存取；数据包网络发布部分是在当用户启动 服务器功能后，将初步解析过的数据包采用组播技术发布到Internet上去；

所述的远程客户端软件包括3个部分：数据包网络接收部分监听从服务器端 发送过的数据包，传到本地计算机上进行后续处理；数据包显示部分以及绘制 数据曲线部分与服务器端相应部分的功能相同，但实现方法不同，前者是在 MATLAB中进行，后者是在Java中进行的。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器技术，尤其是涉及基于无线传感器网络的茶园微域 监控方法与系统。

背景技术

我国是世界上茶园种植面积最大的国家，茶叶产量列世界第一位。同时， 茶叶是我国重要的经济作物，2003年全国有20个省、市、自治区生产茶叶，涉 茶人员约8000万人，茶叶农业产值130多亿元，茶叶及其相关产业产值超400 亿元，占国民经济总GDP约0.4％。茶业是高效农业，发展茶业是响应中央1 号文件，对促进我国农业经济结构调整，增加农民收入，促进农村发展，促进 中西部地区农民脱贫致富有重要意义。同时，茶叶也代表了中国文化。龙井， 毛峰等著名茶叶品牌，在国际上也有深厚的影响力。
但是茶叶极易受到冻害、虫害等自然条件影响。单浙江省2005年至2006 年就因为遭遇冰雪天气，全省损失超过10亿元。
而茶园的微域气候条件监控纯粹靠人力是不可能达到的。目前，还没有一 套成熟的系统能监测茶园的生长环境。

发明内容

本发明的目的在于提供基于无线传感器网络的茶园微域监控方法与系统。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一、一种基于无线传感器网络的茶园微域监控方法，该方法的步骤如下：
1)完成节点的制作，并通过avr仿真器下载Surge_Reliable协议程序；
2)将这些节点插上传感器板，构成一个监测点，打开电源，使其处于工作状 态，然后布置在茶园中；
3)选择其中一个节点为汇聚节点，它与网关直接相连，网关通过串口和服务 器相连接；
4)在服务器上启动Matlab，在命令窗口中输入MatTOS即可运行服务器端程 序；
5)远程客户打开客户端软件，在连接窗口中输入服务器的IP地址和服务器 广播数据的端口号，连接成功后可开始访问服务器数据；
6)选择服务器软件界面和客户端软件界面的工具按钮，完成原始数据读取， 数据曲线和拓扑图绘制，数据保存。
所述的每个节点都有各自ID号，将这个ID号和节点放置位置对应，通过 观察拓扑图迅速找出异常事件发生地点。
由于无线通信范围有限，所述的节点产生的数据包并非直接到达汇聚节点， 而是以多跳的方式在节点之间由远及近传输，并最终为汇聚节点接收，路由过 程采用Surge_Reliable协议，它是一种自发式的寻优过程，各节点通过分析历史 数据，从邻居中选出通信可靠并且总体代价较小的节点作为父节点，向它发送 数据。
所述的监测点能实时监测茶园中温度，湿度，光照数据。同时能监测各节 点的电量。
二、一种基于无线传感器网络的茶园微域监控系统，该系统包括多个传感 器节点，传感器板，以及服务器软件和客户端软件，传感器板和传感器节点插 接在一起，构成一个监测点，传感器节点之间通过无线信道连接成网络，最后 数据传送到汇聚节点，汇聚节点通过网关和服务器相连接，对数据进行显示， 保存和评估，远程客户通过internet和客户端软件访问服务器。
所述的传感器节点包括射频板和主板，射频板中的CC2420无线通信芯片通 过阻抗匹配电路和天线相连接；主板中的Atmega128L微处理器芯片分别与外部 flash存储器、LED灯、51脚I/O接插件、JTAG接口和经电平转换芯片与串口 连接，射频板通过12脚接插件与主板连接，电源给主板供电。
所述的软件系统主要分为服务器端主程序和远程客户端主程序，其中：
1)服务器端主程序包括7个部分：串口交互部分是最底层的串口功能部分， 采用Java编写；串口读取操作部分完成Java与MATLAB的协作，控制串口读 写过程；数据包显示部分对读入的原始数据进行解析，将有用数据部分显示出 来，同时将读取过程的相关信息显示出来；绘制数据曲线及拓扑结构图部分完 成光强、温度和声强数据的曲线绘制，以及网络拓扑结构图的绘制；数据保存 和打开已保存的数据部分分别实现数据存取；数据包网络发布部分是在当用户 启动服务器功能后，将初步解析过的数据包采用组播技术发布到Internet上去；
2)远程客户端主程序包括3个部分：数据包网络接收部分监听从服务器端发 送过的数据包，传到本地计算机上进行后续处理；数据包显示部分以及绘制数 据曲线部分与服务器端相应部分的功能相同，但实现方法不同，前者是在 MATLAB中进行，后者是在Java中进行的。
本发明具有的有益效果是：
基于无线传感器网络的茶园微域气候智能监测系统的搭建，能为茶园管理者 提供实时的环境状况，帮助了解整个茶园土壤湿度、虫害情况、生长状态的参 数分布，对紧急情况做出预警处理，大大降低了茶园管理的人力开销。从长期 来讲，此系统能帮助科研人员建立气候因素和茶叶品质与产量的关系模型，从 而帮助种植者改进种植方法，提高茶叶的品质和产量，并减少杀虫剂的使用量。 在本系统中，传感器节点将配备特制的外壳包装，不释放有害物质，方便回收， 对环境影响非常小。节点的数据处理模块采用Atmega128L，数据处理能力强，能 耗低。节点之间的数据通信基于ZigBee，保证了数据通信的可靠和高效。上层软 件主要采用MATLAB代码编写，将MATLAB在数据分析处理方面的优越性能 应用到无线传感器网络的数据处理中，以提高网络的处理能力和工作效率，适 应对大规模数据的处理和先进数学方法的使用。与其他编程语言相比，MATLAB 功能齐全，并且在诸如信号处理、数学计算、统计分析等方面具有突出优势。 总之，必须通过建立茶园微域气候智能监测系统，获得微尺度的环境参数，深 入研究各种关键气候因素对茶叶生长的影响，建立气候因素和茶叶品质与产量 的关系模型，进行茶叶产量、品质的预报和冻害、虫害的预警，提高茶园单产 效益。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图。
图2是本发明的传感器节点结构图。
图3是服务器端软件的结构图。
图4是远程客户端软件的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，描述了本发明的整体的结构组成。在无线传感器网络区域中， 每个传感器节点和传感器板相连接，构成一个监测点。传感器板把监测到的数 据传送给传感器节点，传感器节点经过处理后，以无线形式把数据发送出去。 节点和它的邻居节点通过无线射频连接起来组成网络。节点产生的数据最终都 传送给汇聚节点。由于无线通信范围有限，节点产生的数据包并非直接到达汇 聚节点，而是以多跳的方式在节点之间由远及近传输，并最终为汇聚节点接收。 路由过程采用Surge_Reliable协议，它是一种自发式的寻优过程，各节点通过分 析历史数据，从邻居中选出通信可靠并且总体代价较小的节点作为父节点，向 他发送数据。其特点表现在自组织、优化处理和具有可靠性机制等方面。网络 的汇聚节点也是普通的传感器节点，它与网关(gateway)直接相连。网关通过 串口和服务器相连接，负责把网络中监测到的数据上传到服务器。服务器端的 监控软件会将这些数据经过统计方法处理后显示，同时也能通过图表形式的显 示。系统能保存历史数据，方便茶叶科研人员建立历史数据库。系统还能绘制 节点连接的拓扑结构，观察监测环境中的节点工作情况。客户端通过Internet访 问服务器，获得原始数据和数据曲线。
如图2所示，是无线传感器节点的整体结构图。节点分为主板和射频板。 主板主要是数据的处理以及和上位机、传感器板的数据传输。射频板用来无线 发送和接收数据，和网络中其它节点进行通信，组成网络。主板的主芯片是 Atmega128L，它接收传感器板发送过来的数据，经过模数转换和进一步处理后 发送到无线射频模块。射频板的主芯片是CC2420，它将数据进行变换，扩频， 调制后，以2.4G的频率发送出去。电源部分为两节干电池，为主板和射频板提 供电源。
传感器板上主要有一个51脚的接插件，一个电源控制芯片和各种传感器。 节点通过接插件和传感器板相连接。通过控制电源控制来控制各种传感器的电 源供应。传感器将监测到的温度，湿度，光照数据，以电压的形式，通过接插 件传送到数据处理主芯片的模数转换管脚。
如图3所示，是服务器端软件结构。串口交互部分是最底层的串口功能部 分，采用Java编写；串口读取操作部分完成Java与MATLAB的协作，控制串 口读写过程；数据包显示部分对读入的原始数据进行解析，将有用数据部分显 示出来，同时将读取过程的相关信息显示出来；绘制数据曲线及拓扑结构图部 分完成光强、温度和声强数据的曲线绘制，以及网络拓扑结构图的绘制；数据 保存和打开已保存的数据部分分别实现数据存取；数据包网络发布部分是在当 用户启动服务器功能后，将初步解析过的数据包采用组播技术发布到Internet上 去。
先由用户定义串口连接属性，然后构造serialObject，调用connect函数。成 功连接后，显示连接成功的信息，同时等待用户接受命令。得到接受命令后， 调用receive函数，开始接收数据。当串口有数据发上来后，调用MatTOS，解 析收到的数据包，抽取有用信息后存放到动态存储区。然后调用UserFcn.m函数， 这样数字滤波等高级数据处理方法可以直接应用到无线传感器网络数据处理 中，并且能够实现动态处理功能，并判别数据包是否出错。如果收到了错误信 息，那么数据显示表中会显示“bad packet”，并在反馈信息框中显示数据包错误 信息。如果数据包没有出错，那么就将接收到的数据转换为十进制或者16进制， 在数据区显示数据包的原始信息，同时在反馈信息框中显示数据包源的节点号。 接下来是数据的分析和曲线图的绘制。如果接受到的是错误数据包，那么数据 曲线上该段留空。连续显示时，该段曲线介于上次收到的正常数据和下次收到 的正常数据之间。如果收到的数据包没有出错，就将数据转换为十进制，然后 绘出上一时刻到该时刻的各种被测参数的曲线段。同时观察该数据包源的节点 号，如果该节点没有出现在当前的拓扑图中，就将该点补充到拓扑图中，并保 存当前的拓扑信息，供以后查看。
如图4所示，是远程客户端端软件结构。远程客户端主程序包括3个部分： 数据包网络接收部分监听从服务器端发送过的数据包，传到本地计算机上进行 后续处理；数据包显示部分以及绘制数据曲线部分与服务器端相应部分的功能 相同，但实现方法不同，前者是在MATLAB中进行，后者是在Java中进行的。 首先用户正确输入服务器地址和端口，用户的请求会发送到对应的服务器端， 成功连接后，会显示成功连接信息。将接受到的双字节数据流转化为JAVA类， 确定数据正确后，显示原始数据和接收时间，然后绘出上一时间段到该时间的 各种被测参数的曲线。同时可以选择是否隐藏该段曲线。