專利名稱：分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統。
背景技術：
設施農業是現代化農業的重要組成部分，它在一定程度上使農業生產擺脫了對自然環境的依賴，并且能夠獲得高品質、高效率的農產品，是現代農業發展中的一次革命。設施農業有多種生產方式，其中大棚農業是占主要地位的一種。大棚農業能夠人為地控制農業生產中的環境參數,減少農業污染,達到農作物的最佳生長條件,提高農業生產效益。由于大棚內的環境參數直接影響著農作物的生長，對環境參數的監測和預警顯得尤為重要。人們為了加強對環境參數的監測，調節農作物的生長環境，提高農業生產效益，著手研制了農業大棚環境參數監測與預警系統。近年來，設施農業環境參數監控系統出現了一些新的應用趨勢。英特爾公司設計 的應用在美國俄勒網州一個葡萄園中的葡萄園環境監測系統，美國Crossbow公司設計的無線環境監測系統，美國加州大學伯克利分校的研究人員設計的大鴨島生物環境監測系統等是國外設施農業環境監控系統應用的代表。國內設施農業環境參數監控系統發展相對較晚，始于上個世紀80年代，國家在“九五”攻關項目中啟動了有關溫室設施及配套裝備的研制課題，取得了一些成果。90年代開始，我國設施農業逐步向規模化、集約化和科學化方向發展，技術水平有了大幅度提高。但是我國設施農業發展中還存在著一些問題，科技含量和國外發達國家水平相比還比較低。高品質產品多為國外產品，溫室環境參數監控系統也不例外。這嚴重制約了設施農業環境監控系統在我國的推廣應用。ZigBee無線傳感器網絡技術以其設備成本低、網絡的自組織性、節點設置靈活、數據傳輸安全可靠、功耗低等獨特的優勢，在設施農業信息化中展現出廣闊的應用前景。ZigBee無線傳感器節點可以收集土壤濕度、氮濃度、pH值、降水量、溫度、空氣濕度和CO2濃度等信息，然后將這些信息由無線傳感器網絡傳送到中央控制設備供用戶決策和參考，從而使用戶及時準確地發現問題，進行通風、灌溉等有效措施，提高農作物的成活率和單位產量。GSM網絡覆蓋面積大、使用范圍廣、信號穩定、易集成，可以作為無線監控預警系統與用戶交互的功能模塊。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統。分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統包括多個無線傳感節點、多個無線路由節點、無線中央控制節點和GSM短信報警模塊；無線傳感節點包含多種數字傳感器，收集多種環境因子數據，是整個網絡的終端，可以自由加入或退出無線監控網絡，無線路由節點負責整個網絡數據的路由，多個無線路由節點組成了一個網狀網絡，無線路由節點自由加入或退出無線監控網絡，I個或多個無線傳感節點與無線路由節點相連，多個無線路由節點按照路由最近原則與I個或多個無線路由節點相連，無線中央控制節點按照路由最近原則與I個或多個無線路由節點相連，無線中央控制節點負責將收集的整個網絡的數據傳輸給PC機，PC機分析收集到的網絡數據，當數據符合報警要求時,GSM短信報警模塊向用戶發送短信報警信息，用戶通過GSM網絡主動控制監控網絡數據上傳和操作設施。所述的ZigBee無線傳感節點的內部模塊連接關系為CC2430微處理器分別與RS232收發器、LDB182G4505C-110變壓器、SHTll溫濕度傳感器、TSL230B光照傳感器、PS2811-4光耦相連接，天線與LDB182G4505C-110變壓器相連接，PS2811-4光耦與 BRT3-SS-105D固態繼電器相連接。所述的ZigBee無線路由節點的內部模塊連接關系為CC2430微處理器分別與SST25VF020存儲器、RS232收發器、LDB182G4505C-110變壓器相連接，天線與LDB182G4505C-110變壓器相連接。所述的ZigBee無線中央控制節點的內部模塊連接關系為CC2430微處理器分別與SST25VF020存儲器、RS232收發器、LDB182G4505C-110變壓器相連接，天線與LDB182G4505C-110變壓器相連接，RS232收發器與PC機連接。所述的GSM短信預警模塊為西門子TC35模塊與PC機通過RS232收發器相連。本發明的優點在于借助ZigBee網絡的自組織、可異構、低成本，高可靠性，設計一種包含分布式多環境因子檢測的無線網絡監控系統，避免了為檢測多個環境因子而布設多個設施，具備通過GSM網絡短信預警功能，主動控制監控網絡數據上傳和操作設施，同時可隨著監控范圍的擴大而自由擴展網絡覆蓋范圍，實現整個系統遠程報警和控制。整個系統安裝維護簡單，成本低，使用方便。
圖I為分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統結構示意 圖2為本發明無線傳感節點硬件結構示意 圖3為本發明無線路由節點硬件結構示意 圖4為本發明無線中央控制節點系統結構示意 圖5為本發明GSM短信報警模塊示意 圖6為本發明無線中央控制節點軟件流程 圖7為本發明無線路由節點軟件流程 圖8為本發明無線傳感節點軟件流程圖。具體實施
如圖I所示，分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統包括多個無線傳感節點I、多個無線路由節點2、無線中央控制節點3和GSM短信報警模塊4 ;無線傳感節點I包含多種數字傳感器，收集多種環境因子數據，是整個網絡的終端，可以自由加入或退出無線監控網絡，無線路由節點2負責整個網絡數據的路由，多個無線路由節點2組成了一個網狀網絡，無線路由節點2自由加入或退出無線監控網絡，I個或多個無線傳感節點I與無線路由節點2相連，多個無線路由節點2按照路由最近原則與I個或多個無線路由節點2相連，無線中央控制節點3按照路由最近原則與I個或多個無線路由節點2相連，無線中央控制節點3負責將收集的整個網絡的數據傳輸給PC機，PC機分析收集到的網絡數據，當數據符合報警要求時，GSM短信報警模塊4向用戶發送短信報警信息，用戶通過GSM網絡主動控制監控網絡數據上傳和操作設施。無線路由節點2自由加入或退出無線監控網絡，實現了網路的自組織性和可拓展性。
如圖2所示，ZigBee無線傳感節點I的內部模塊連接關系為CC2430微處理器分別與RS232收發器、LDB182G4505C-110變壓器、SHTll溫濕度傳感器、TSL230B光照傳感器、PS2811-4光耦相連接，天線與LDB182G4505C-110變壓器相連接，PS2811-4光耦與BRT3-SS-105D固態繼電器相連接。CC2430微處理器為德州儀器公司(TI)專門設計的ZigBee無線微處理器，其內置有一個增強型工業標準的8位8051微控制器內核，繼集成了符合IEEE802. 15. 4標準的2. 4GHz的RF無線電收發機，可無需外接無線收發模塊而只通過LDB182G4505C-110變壓器與天線連接，實現數據無線傳輸。CC2430微處理器有48個引腳，可連接多個數字傳感器，SHTll溫濕度傳感器、TSL230B光照傳感器可通過CC2430的外圍引腳(如PO引腳)與CC2430相連，將采集的環境溫濕度數據和光照數據輸入CC2430微處理器，經處理后傳遞給無線路由節點2。CC2430接收到無線路由節點2傳送的命令后，經過分析處理控制PS2811-4光耦實現BRT3-SS-105D固態繼電器的導通或斷開，從而控制溫室設施內的執行設備進行工作。ZigBee無線傳感節點采用兩節I. 5V的5號電池供電，經過實驗可連續工作兩年左右。如圖3所示，ZigBee無線路由節點2的內部模塊連接關系為CC2430微處理器分別與SST25VF020存儲器、RS232收發器、LDB182G4505C-110變壓器相連接，天線與LDB182G4505C-110變壓器相連接。無線路由節點2負責將無線傳感節點I采集的數據路由中繼到無線中央控制節點3。SST25VF020存儲器用于存儲系統網絡節點的路由數據表。如圖4所示，ZigBee無線中央控制節點3的內部模塊連接關系為CC2430微處理器分別與SST25VF020存儲器、RS232收發器、LDB182G4505C-110變壓器相連接，天線與LDB182G4505C-110變壓器相連接，RS232收發器與PC機連接。無線中央控制節點3負責匯集網絡采集的數據并傳遞給PC機，PC機可通過無線中央控制節點3向系統網絡發送命令。如圖5所示，GSM短信預警模塊為西門子TC35模塊與PC機通過RS232收發器相連。PC機向短信GSM短信報警模塊4發送短信發送命令，GSM短信報警模塊4向用戶發送報警短信。用戶可通過GSM短信報警模塊4向PC及發送控制命令，然后由PC機通過RS232收發器向無線中央控制節點3轉發命令，控制網絡數據上傳和設施操作。如圖6所示，無線中央控制節點3是無線網絡的發起建立者，其軟件實現過程如下系統軟硬件初始化后，檢測周圍環境信道是否被占用，選擇一個空閑的信道，為新網絡選擇一個網絡標識，之后進入循環處理過程允許無線路由節點2加入網絡，接收網絡數據并經過處理后傳送給PC機，檢測PC機是否有命令傳遞，向無線路由節點2發送控制命令。如圖7所示，無線路由節點2是無線網絡數據的中繼轉發節點，其軟件實現過程如下系統軟硬件初始化后，查找周圍是否有ZigBee網絡，掃描ZigBee信道能量，如果高于閾值，則說明已存在ZigBee網絡，可以加入該網絡，如果低于閾值，則繼續掃描。為了加入無線網絡，無線路由節點2向已在網絡中的無線路由節點2或者無線中央控制節點3發送信標幀，收到返回的超幀后繼續發送連接請求數據包，否則終止加入。如果繼續收到網絡返回的確認幀，則發送數據請求網絡地址，否則終止加入。如果收到網絡返回的網絡地址，則表示成功加入網絡，否則終止。無線路由節點2成功加入網絡后進入循環工作狀態，檢測是否有無線路由節點2和無線傳感節點I加入網絡，傳送網絡數據和命令，發送給無線中央控制節點。如圖8所示，無線傳感節點I負責采集環境溫濕度數據和光照數據，并啟動光照調節設備，器軟件實現過程如下系統軟硬件初始化后，查找周圍是否有ZigBee網絡，掃描ZigBee信道能量，如果高于閾值，則說明已存在ZigBee網絡，可以加入該網絡，如果低于閾值，則繼續掃描。為了加入無線網絡，無線路由節點I向已在網絡中的無線路由節點2發送信標幀，收到返回的超幀后繼續發送連接請求數據包，否則終止加入。如果繼續收到無線路由節點2返回的確認幀，則發送數據請求網絡地址，否則終止加入。如果收到無線路由節點2返回的網絡地址，則表示成功加入網絡，否則終止。當收到網絡地址后進入循環工作進 程，讀取溫濕度傳感器和光照傳感器數據并發送。如果收到網絡控制命令，則判斷命令類型，成功則輸出命令，失敗則延時請求重發。
權利要求
1.一種分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統，其特征在于包括多個無線傳感節點(I)、多個無線路由節點(2 )、無線中央控制節點(3 )和GSM短信報警模塊(4);無線傳感節點(I)包含多種數字傳感器，收集多種環境因子數據，是整個網絡的終端，可以自由加入或退出無線監控網絡，無線路由節點(2)負責整個網絡數據的路由，多個無線路由節點(2)組成了一個網狀網絡，無線路由節點(2)自由加入或退出無線監控網絡，I個或多個無線傳感節點(I)與無線路由節點(2)相連，多個無線路由節點(2)按照路由最近原則與I個或多個無線路由節點(2)相連，無線中央控制節點(3)按照路由最近原則與I個或多個無線路由節點(2)相連，無線中央控制節點(3)負責將收集的整個網絡的數據傳輸給PC機，PC機分析收集到的網絡數據，當數據符合報警要求時，GSM短信報警模塊(4)向用戶發送短信報警信息，用戶通過GSM網絡主動控制監控網絡數據上傳和操作設施。
2.根據權利要求I所述的一種分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統，其特征在于所述的ZigBee無線傳感節點(I)的內部模塊連接關系為CC2430微處理器分別與RS232收發器、LDB182G4505C-110變壓器、SHTll溫濕度傳感器、TSL230B光照傳感器、PS2811-4光耦相連接，天線與LDB182G4505C-110變壓器相連接，PS2811-4光耦與BRT3-SS-105D固態繼電器相連接。
3.根據權利要求I所述的一種分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統，其特征在于所述的ZigBee無線路由節點(2)的內部模塊連接關系為CC2430微處理器分別與SST25VF020存儲器、RS232收發器、LDB182G4505C-110變壓器相連接，天線與LDB182G4505C-110變壓器相連接。
4.根據權利要求I所述的一種分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統，其特征在于所述的ZigBee無線中央控制節點(3)的內部模塊連接關系為CC2430微處理器分別與SST25VF020存儲器、RS232收發器、LDB182G4505C-110變壓器相連接，天線與LDB182G4505C-110變壓器相連接，RS232收發器與PC機連接。
5.根據權利要求I所述的一種分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統，其特征在于所述的GSM短信預警模塊為西門子TC35模塊與PC機通過RS232收發器相連。
全文摘要
本發明公開了一種分布式異構無線傳感網絡設施農業環境監控預警系統。它包括多個無線傳感節點、多個無線路由節點、無線中央控制節點和GSM短信報警模塊；1個或多個無線傳感節點與無線路由節點相連，多個無線路由節點按照路由最近原則與1個或多個無線路由節點相連，無線中央控制節點按照路由最近原則與1個或多個無線路由節點相連，無線中央控制節點負責將收集的整個網絡的數據傳輸給PC機，PC機分析收集到的網絡數據，當數據符合報警要求時，GSM短信報警模塊向用戶發送短信報警信息，用戶通過GSM網絡主動控制監控網絡數據上傳和操作設施。本發明具有網絡可拓展和異構性，具備多種環境因子監測功能，GSM網絡短信預警控制功能，安裝維護簡單，成本低，使用方便。
文檔編號H04W4/14GK102664949SQ20121011564
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月19日 優先權日2012年4月19日
發明者周圣賢, 謝立, 黃財謀 申請人:浙江大學