一種基于無線傳感網的農田入侵監測系統及監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于無線傳感網的農田入侵監測系統及監測方法，包括若干個無線傳感器節點，所述無線傳感器節點之間通過ZigBee協議通信；所述無線傳感器節點包括AVR微控制器和兩種感應器；所述兩種感應器包括被動紅外感應器和超聲波感應器；所述被動紅外感應器用于探測有無外物入侵農田，超聲波感應器用于探測外物距農田的距離；若干個無線傳感器節點分為感應節點、中間節點和基站節點；感應節點通過兩種感應器檢測有無外物入侵農田及入侵距離，中間節點將感應節點檢測的信息通過一跳/多跳的方式路由送給基站節點；基站節點通過GSM發送短信息到農戶手機里，同時激活農戶家里的警報器。本發明使農戶可隨時隨地實時監測農田，具有良好的使用價值。
【專利說明】
一種基于無線傳感網的農田入侵監測系統及監測方法
技術領域
[0001] 本發明屬于農業應用技術領域，具體涉及一種基于無線傳感網的農田入侵監測系 統及監測方法
【背景技術】
[0002] "微電子機械系統(MEMS)"技術的快速發展促發了無線傳感器網絡技術的出現。在 一個無線傳感器網絡中，感應節點能夠感應一些具體的物理現象，并將感應到的數據傳送 到基站節點中。無線傳感網現已被應用到各個領域中，例如農業、目標追蹤、健康監測和野 生生物追蹤。由于無線傳感網的資源受限性質，一個感應節點可以通過單跳或多跳方式傳 輸數據到基站節點中。
[0003]農業是非常重要的資源，尤其在發展中國家。先進的科學技術在世界范圍內極大 發展了農業設施。一些先進的技術，例如地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、無線傳 感器網絡(WSN)和遠距離感應(RS)，在農業設施上有很多的應用。WSN在對農田上不同活動 的監測起了重大的作用。無線傳感網在農業上的應用主要有以下幾個部分，空間數據采集、 精準灌溉、可變速率技術和提供數據。更進一步地，無線傳感網可以應用到農業中的環境、 天氣的監測。無線傳感網在農業中的應用的有以下幾個優勢，例如在農田環境下，監控時間 長、距離決策和基于圖形用戶界面的監測系統。
【發明內容】
[0004] 在本發明系統中，感應節點監視進入農田的入侵者，檢測數據通過中間節點傳輸 到數據基站節點中，基站節點再控制報警器發出警示，來提醒農戶農田有入侵跡象。實現本 發明的具體技術方案如下：
[0005] -種基于無線傳感網的農田入侵監測系統，包括若干個無線傳感器節點，所述無 線傳感器節點之間通過ZigBee協議通信;所述無線傳感器節點包括A VR微控制器和兩種感 應器;所述兩種感應器包括被動紅外感應器和超聲波感應器;所述被動紅外感應器用于探 測有無外物入侵農田，所述超聲波感應器用于探測外物距農田的距離；
[0006] 所述若干個無線傳感器節點分為感應節點、中間節點和基站節點；所述感應節點 通過兩種感應器檢測有無外物入侵農田及入侵距離，所述中間節點將感應節點檢測的信息 通過一跳/多跳的方式路由送給基站節點；所述基站節點通過GSM發送短信息到農戶手機 里，同時激活農戶家里的警報器。
[0007] 進一步優選，所述AVR微控制器ATMEGA 324PA-PU。
[0008] 進一步優選，所述被動紅外感應器采用HC-SR501;所述超聲波感應器采用HC-SR04。
[0009]進一步優選，所述無線傳感器節點包括兩種工作模式:感應模式和傳輸模式;感應 模式下，所述無線傳感器節點用于監測農田；傳輸模式下，所述無線傳感器節點作為中間節 點實現信息路由。
[0010] 進一步優選，所述ZigBee地址模式采用16位地址。
[0011] 進一步優選，所述節點還包括顯示屏，用于顯示入侵信息。
[0012]根據上述監測系統，本發明還提出了一種監測方法，包括如下步驟：
[0013] S1，初始狀態下節點處于睡眠模式，當檢測到入侵者的信息時，主節點被激活；
[0014] S2，主節點被觸發后，將會創建并廣播信息請求REQ;在REQ包中包含兩個字段： type字段為標志位，用來區別信息的種類(REQ包、REP包和檢測信息包），mst_pos字段包含 了主節點的位置信息；
[0015] S3，所有接收到REQ包的鄰近節點i，給主節點返回REP信息;所述REP包中包含四個 字段，分別是消息的種類type、該節點到主節點的距離dist、該節點的剩余能量RE和下一跳 節點的接收信號強度RSS;
[0016] S4，主節點根據收到的返回消息REP來計算每個鄰近節點i的值S，通過判斷S值的 大小，來選擇下一跳節點i。
[0017] S5,選擇好下一個節點之后，主節點將檢測信息包發送給下一個節點。所述檢測信 息包包含2個字段，分別是type字段，表示信息包的類型，ms t_id字段，表示入侵信息；
[0018] S6,下一跳節點i繼續使用S2-S5的方法再選擇下一跳節點，直至將包含入侵信息 的檢測信息包傳送到基站節點；
[0019] S7,基站節點通過GSM將檢測的入侵信息發到農戶手機上，并激活農戶家中的報警
器。
[0020] 進一步，所述S值的計算公式為
[0021 ]其中，REmax和RSSmax為一個節點的剩余能量RE和接收信號強度RSS的最大值，R是節 點能夠通信的最遠距離，D是主節點和下一跳節點i之間的物理距離。
[0022] 進一步，所述REQ包中，type字段占據1個字節，所述mst_pos字段占據4個字節;所 述REP包中，type字段占據1個字節，dist字段占據2個字節，RE字段占據1個字節，RSS字段占 據1個字節。
[0023]本發明的有益效果為：
[0024] 1.當入侵者進入農田時，本發明設計的入侵監測系統可以及時給農戶發短信以及 觸發農戶家中的報警器。
[0025] 2.本發明利用基于無線傳感器板的AVR微控制器技術，實時控制、精度高。
[0026] 3.利用被動紅外感應器和超聲波感應器檢測入侵信息，實時性和準確性較好。
[0027] 4.本發明提出了入侵監測系統的性能評估的參數設計，有利于及時評估系統，提 高使用價值。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發明監測系統的層次結構示意圖；
[0029] 圖2是本發明監測系統的工作流程圖；
[0030] 圖3是本發明監測系統的原理示意圖；
[0031]圖4主節點廣播的REQ信息包格式示意圖；
[0032]圖5中間節點響應的REP信息包格式示意圖；
[0033]圖6檢測信息包的格式示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
[0035]如圖1所示，本發明的監測系統從功能上分為四層，第一層包括兩種感應器:被動 紅外感應器和超聲波感應器。感應器本身不發射任何能量，只被動接收、探測來自環境的紅 外輻射。一旦有入侵者的紅外線輻射進來，經光學系統聚焦就使熱釋電器件產生突變電信 號，這樣被動紅外感應器就能夠感應到入侵跡象繼而被激活。超聲波感應器具有頻率高、波 長短、方向性好等優點，超聲波感應器向周圍發送超聲波，超聲波會在遇到入侵者后返回， 感應器通過返回的超聲波來判斷入侵者距離農田邊界的距離（感應器都布置在農田邊界 上）。兩種感應器感應到的數據通過自身的通信設備，將信息傳輸到第二層的微控制器，微 控制器對這些信息進行采集，按照不同的信息格式對信息進行打包處理。第三層負責將信 息從感應節點傳送到基站節點：監測到入侵跡象后，信息通過單跳或者多跳的方式被傳送 到基站節點，具體傳輸采用ZigBee協議。第四層:運用GSM技術發送短息到農戶手機里，同時 激活農戶家里的警報器。農戶通過接收消息，能夠知曉農田中的入侵狀況。
[0036]如圖2所示，本發明系統的工作原理和流程如下：
[0037] S1，所有節點在初始狀態下處于睡眠模式，只有當檢測到入侵者時，節點被激活。
[0038] 入侵者包括動物、人類以及車輛等。所有節點通過無線連接到網絡，每個節點都能 夠自我調節各自的功率，一共有四個檔位。這樣的話，各個節點可以通過調節自身功率，達 到不同的通信范圍。由于功率共有四個檔位，則節點的通信范圍有四個階段，定義一個感應 節點能夠通信的最遠距離為R。每個節點包含兩種感應器，被動紅外感應器和超聲波感應 器。其中被動紅外感應器能夠檢測到物體活動，超聲波感應器可以檢測活動物體距農田邊 界的距離。
[0039] 本發明中，一個感應節點有兩種工作模式，分別為感應模式和傳輸模式:感應模式 下，感應節點負責監測農田的入侵者;傳輸模式下，感應節點作為路由，將從其他節點傳過 來的數據更進一步的傳送到基站節點中。之后基站節點再將消息通過GSM傳輸到農戶家報 警器，來產生警示信號。同時，基站節點也將發送短信到農戶手機里。原理圖如圖3所示。
[0040] 假設在36米見方農田上部署了20個感應節點，如圖3所示，節點布置在農田邊界， 排列成正方形，每個節點的參數如表1所示：
[0041] 表1
[0043]~用到的器件如表2所示:
[0046]在本發明系統中，檢測到入侵的節點稱為主節點，主節點將選擇鄰近的節點當作 傳送數據的下一跳節點，為選擇下一跳節點，主節點需要考慮以下因素：（1)下一跳節點的 接收信號強度RSS; (2)下一跳節點的剩余能量RE; (3)主節點和下一跳節點之間的物理距離 D〇
[0047] S2，主節點被觸發后，將會創建并廣播信息請求REQ，在REQ包中包含2個字段，type 字段為標志位，用來區別信息包的種類(REQ包、REP包和檢測信息包），mst_pos字段包含了 主節點的位置信息。
[0048]因為所有部署的節點是預先設定好的，所以節點的位置信息是已知的。REQ的格式 如圖4所示，在REQ包中，type字段顯示了信息的種類，占據1個字節，mst_p〇S字段包含了主 節點的位置信息，占據4個字節。
[0049] S3,所有接收到REQ包的鄰近節點，都會給主節點返回消息:REP信息包。REP包中有 四個字段，如圖5所示，分別是消息的種類type字段(REQ包、REP包和檢測信息包），占據1個 字節，該節點到主節點的距離dist字段，占據2個字節，該節點的剩余能量RE字段，占據1個 字節，下一跳節點的接收信號強度RSS字段，占據1個字節。
[0050] S4，主節點根據收到的返回消息來計算每個鄰近節點i的值S，通過判斷S值的大 小，來選擇下一跳節點。第i個節點的S值的計算如下：
⑴
[0052]式（1)中，REmax和RSSmax為一個節點的剩余能量和接收信號強度RSS的最大值。主節 點將會選擇S值最大的節點作為下一跳節點。
[0053] S5,選擇好下一個節點之后，主節點將檢測信息包發送給下一個節點。所述檢測信 息包(包含主節點檢測到的入侵信息）的結構如圖6所示，包含2個字段，分別是消息的種類 type字段(REQ包、REP包和檢測信息包），占據1個字節，mst_id字段，表示監測的入侵數據， 占據2個字節。
[0054] S6,下一跳節點i繼續使用S2-S5的方法選擇再下一跳節點，直至將檢測信息包傳 送到基站節點。
[0055] S7,基站節點通過GSM將檢測的入侵信息發到農戶手機上，并激活農戶家中的報警 器。
[0056] 當節點在一定的時間t(可設置為30分鐘或其他時間）內沒有檢測到任何活動或沒 有收到來自鄰近節點的數據傳送請求，就進入睡眠模式。即只有當節點檢測到入侵或收到 其他節點的數據傳送請求時，才會被激活。
[0057] 本發明設計了以下三個參數來評估系統性能：
[0058] 準確性（A):準確性定義為本系統檢測到的入侵者與實際入侵者的比值，單位 為％。計算表達式為：
⑵
[0060]平均被激活的節點的百分比(P):檢測到入侵者需要的被激活節點的百分比。計算 表達式為：
(3)
[0062]電壓(V):在特定時間t內，檢測入侵者導致的電壓下降。
[0063]上述公式中：N為網絡中節點的總數量;n為被激活的節點數量;Nd :本系統檢測到 的入侵者總數;Ne:實際入侵者總數。
[0064] 綜上所述，本發明設計了用無線傳感網通信的入侵監測系統。硬件模型上，采用基 于無線感應板的AVR微控制器，感應板配備了兩種感應器一一被動紅外感應器和超聲波感 應器。當入侵者進入農田時，感應器負責監測入侵者的到來及其入侵者距離農田邊界的距 離。收集數據后，感應節點將數據通過中間節點的路由傳送給基站節點，基站節點發送短信 至手機并觸發農戶家中的報警器。傳輸數據的過程由節點的一跳/多跳完成，通過判斷接收 信號強度和剩余能量為依據來選擇下一跳節點。
[0065] 上文僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，并非用以限制保護范圍， 凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于無線傳感網的農田入侵監測系統，其特征在于，包括若干個無線傳感器節 點，所述無線傳感器節點之間通過zi gBee協議通信;所述無線傳感器節點包括AVR微控制器 和兩種感應器;所述兩種感應器包括被動紅外感應器和超聲波感應器;所述被動紅外感應 器用于探測有無外物入侵農田，所述超聲波感應器用于探測外物距農田的距離； 所述若干個無線傳感器節點分為感應節點、中間節點和基站節點；所述感應節點通過 兩種感應器檢測有無外物入侵農田及入侵距離，所述中間節點將感應節點檢測的信息通過 一跳/多跳的方式路由送給基站節點;所述基站節點通過GSM發送短信息到農戶手機里，同 時激活農戶家里的警報器。2. 根據權利要求1所述的一種基于無線傳感網的農田入侵監測系統，其特征在于，所述 AVR微控制器ATMEGA 324PA-PU。3. 根據權利要求1所述的一種基于無線傳感網的農田入侵監測系統，其特征在于，所述 被動紅外感應器采用HC-SR501;所述超聲波感應器采用HC-SR04。4. 根據權利要求1所述的一種基于無線傳感網的農田入侵監測系統，其特征在于，所述 無線傳感器節點包括兩種工作模式:感應模式和傳輸模式;感應模式下，所述無線傳感器節 點用于監測農田；傳輸模式下，所述無線傳感器節點作為中間節點實現信息路由。5. 根據權利要求1所述的一種基于無線傳感網的農田入侵監測系統，其特征在于，所述 ZigBee地址模式采用16位地址。6. 根據權利要求1所述的一種基于無線傳感網的農田入侵監測系統，其特征在于，所述 節點還包括顯示屏，用于顯示入侵信息。7. 根據權利要求1-6任意一項所述的一種基于無線傳感網的農田入侵監測系統的監測 方法，其特征在于，包括如下步驟： S1，初始狀態下節點處于睡眠模式，當檢測到入侵者的信息時，主節點被激活； 52, 主節點被觸發后，將會創建并廣播信息請求REQ;在REQ包中包含兩個字段:type字 段為標志位，用來區別信息的種類，mst_p 〇S字段包含了主節點的位置信息； 53, 所有接收到REQ包的鄰近節點i，給主節點返回REP信息；所述REP包中包含四個字 段，分別是消息的種類t y p e、該節點到主節點的距離d i s t、該節點的剩余能量RE和下一跳節 點的接收信號強度RSS; S4，主節點根據收到的返回消息REP來計算每個鄰近節點i的值S，通過判斷S值的大小， 來選擇下一跳節點i。 55, 選擇好下一個節點之后，主節點將檢測信息包發送給下一個節點；所述檢測信息包 包含2個字段，分別是type字段，表示信息包的類型，ms t_id字段，表示入侵信息； 56, 下一跳節點i繼續使用步驟S2-S5的方法再選擇下一跳節點，直至將包含入侵信息 的檢測信息包傳送到基站節點； S7，基站節點通過GSM將入侵信息發到農戶手機上，并激活農戶家中的報警器。8. 根據權利要求7所述的一種基于無線傳感網的農田入侵監測方法，其特征在于，所述 S值的計算公式為其中，REmax和RSSmax為一個節點的剩余能量RE和接收信號強度RSS的最大值，R是節點能 夠通信的最遠距離，D是主節點和下一跳節點i之間的物理距離。9.根據權利要求7所述的一種基于無線傳感網的農田入侵監測方法，其特征在于，所述 REQ包中，type字段占據1個字節，所述mst_p〇S字段占據4個字節;所述REP包中，type字段占 據1個字節，di st字段占據2個字節，RE字段占據1個字節，RSS字段占據1個字節，所述檢測信 息包中，type字段占據1個字節，mst_id字段占據2個字節。
【文檔編號】H04W84/18GK105959923SQ201610266511
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】郭坤祺, 涂曦瑤, 徐東進
【申請人】江蘇大學