一种基于无线传感网的土壤环境监测系统及覆盖控制方法
【专利摘要】一种基于无线传感网的土壤环境监测系统及覆盖控制方法，涉及环境监测领域，该土壤环境监测系统由土壤境参数采集节点、通信网关和远程监控系统组成。土壤境参数采集节点根据配备的传感器类型，实时地从外界采集相应的土壤环境参数信息，并对采集的参数做线性化、温度补偿、数据打包、存储等处理，然后通过无线传感器网络将数据路由至通信网关；本发明还提出了一种多目标关联覆盖控制方法，通过一定的节点调度机制来处理关联信息集合，使得不同集合中节点轮流工作，降低了节点的能耗，提高了节点的工作效率。本发明将传感器网络技术应用到农业生产中，对土壤等对象进行在线监测。
【专利说明】
一种基于无线传感网的土壤环境监测系统及覆盖控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及环境监测领域，具体为一种基于无线传感网的土壤环境监测系统及覆 盖控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国工业化、城市化、农业集约化的快速发展，人类活动引起的外源污染物排 放量超过环境自净的能力，而导致土壤污染问题越来越显现出来了，对我国生态环境质量、 食物安全和社会经济持续发展构成严重威胁。土壤点源污染与面源污染共存，生活污染和 工业污染叠加，新、老污染交织;工业及城市污染向农村转移，危及农村饮水安全和农产品 安全，农村面临环境污染和生态破坏的双重威胁；突出表现为生活污染加剧，面源污染加 重，生态退化尚未得到有效遏制。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于无线传感网的土壤环境监测系统及覆盖控制方 法，本发明将传感器网络技术应用到农业生产中，对土壤等对象进行在线监测。同时，针对 土壤环境监测传感器网络存在信号衰减快，采样不确定和监测精度要求高的特点，本发明 还提出了一种多目标关联覆盖控制算法，通过一定的节点调度机制来处理关联信息集合， 使得不同集合中节点轮流工作，降低了节点的能耗，提高了节点的工作效率。
[0004] 本发明的技术方案如下： 一种基于无线传感网的土壤环境监测系统由土壤境参数采集节点、通信网关和远程监 控系统组成。
[0005] 所述土壤环境参数采集节点有一个长方形外壳，在土壤环境参数采集节点外壳上 方设有1个采集节点ZigBee天线凹槽和1个传感器数据线输入凹槽。在土壤环境参数采集节 点外壳内装有一块土壤环境采集电路板，该土壤环境采集电路板由主处理器电路、射频驱 动电路、信号调理电路组成。该土壤环境采集电路板上的主处理器电路由无线传感器网络 芯片MC13224及其外围电路组成，负责实现数据采集和ZigBee网络数据传输。该土壤环境 采集电路板上的射频驱动电路由阻容器件组成，负责匹配ZigBee天线。该土壤环境采集电 路板上的射频驱动电路上设有1个采集节点ZigBee天线接线端子，通过采集节点ZigBee高 频线与采集节点ZigBee天线相连，该采集节点ZigBee天线接线端子位于土壤环境参数采集 节点外壳上方的采集节点ZigBee天线凹槽处。该土壤环境采集电路板上的信号调理电路由 阻容器件组成，负责对传感器信号进行调理。该土壤环境采集电路板上的信号调理电路上 设有1个传感器数据线接线端子，通过传感器数据线与土壤环境采集传感器相连，该传感器 数据线接线端子位于土壤环境参数采集节点外壳上方的传感器数据线输入凹槽处。
[0006] 所述通信网关有一个长方形外壳，在通信网关外壳上方设有1个网关ZigBee天线 凹槽和1个网关GPRS天线凹槽。在通信网关外壳内装有一块通信网关电路板，该通信网关电 路板由微处理器电路、ZigBee通信电路和GPRS通信电路组成。该通信网关电路板上的微处 理器电路由STM32F427ARM处理器及其外围电路组成，负责ZigBee通信控制和GPRS远程通信 控制，将各个土壤环境采集节点的数据进行汇集，通过GPRS网络将数据发送到远程监控系 统。该通信网关电路板上的ZigBee通信电路由无线传感器网络芯片MC13224及其外围电路 组成，负责与各个土壤环境采集节点进行通信。该ZigBee通信电路上设有1个网关ZigBee天 线接线端子，通过网关ZigBee高频线与网关ZigBee天线相连，该网关ZigBee天线接线端子 位于通信网关外壳上方的网关ZigBee天线凹槽处。该通信网关电路板上的GPRS通信电路由 GPRS通信芯片S頂800L及其外围电路组成，负责与远程监控系统进行通信。该GPRS通信电路 上设有1个GPRS天线接线端子，通过GPRS高频线与GPRS天线相连，该网关GPRS天线接线端子 位于通信网关外壳上方的GPRS天线凹槽处。
[0007] 所述远程监控系统由服务器及其上位机软件组成，通过GPRS网络接收通信网关发 送来的数据，实现对监测区域内土壤质量的全天候实时监测。并对土壤污染等突发事件和 土壤质量急剧变化的情况进行报警，为土壤污染的防治提供决策和支持。同时也可通过通 信网关对监测网络发送命令，控制单个或所有土壤监测节点进行采样，重组网和查找历史 数据等操作。
[0008] 本发明所述覆盖控制方法如下： (1)利用关联规则挖掘方法获得传感器节点集合和目标点集合。
[0009] 首先，网络初始运行时，所有传感器节点首先处于工作状态，获得其感知范围内的 目标点的信息，通过矩阵来表示传感器节点可能感知到的目标点。
[0010]其次，考核每一个传感器节点可以感知到的目标点，如果传感器节点对应目标点 集合中待监测目标点的个数大于给定的最小支持度，就得到了频繁目标集。传感器节点集 合就是关联传感器，目标点集合就是关联目标。
[0011] (2)选取目标点频繁集中个数最多的集合，在对应的传感器节点集合gmax: 中选取能量最高的节点，加入工作节点集合，其余节点进入休眠状态。
[0012] (3)去除集合尽(Id ~1)中被选为工作节点的节点以及忑中能被工作节 点检测到的目标点，并形成新的传感器节点集合$以及新的目标点$，这样就得到了新的 传感器节点和目标点的对应关系。若集合&不是空集，则继续步骤(2);若为空集，则进入步 骤⑷。
[0013] (4)判断监测区域中是否存在未被已工作节点覆盖的目标点，则使能覆盖该目标 点的传感器加入工作节点集合。
[0014] 最终得到需要的工作节点集合，其余节点处于休眠状态，用迭代方法进行优化节 约了网络的能量消耗。
[0015] 本发明的有益效果： 基于无线传感器网络和GPRS通信网络，设计了一种土壤环境监测系统，具有布点分布 广、成本低、容错性好、可远程监控、便于维护等众多优点。同时，本发明还提出了一种多目 标关联覆盖控制算法，通过一定的节点调度机制来处理关联信息集合，使得不同集合中节 点轮流工作，降低了节点的能耗，提高了节点的工作效率。
【附图说明】
[0016]图1为本发明系统结构不意图； 图2为本发明土壤环境参数采集节点配线示意图； 图3为本发明通信网关配线示意图； 图4为本发明土壤环境参数采集节点电路结构示意图； 图5为本发明通信网关电路结构示意图。
[0017] 图中标记：1为土壤环境参数采集节点，2为通信网关，3为远程监控系统，4为采集 节点ZigBee天线，5为传感器数据线，6为采集节点ZigBee高频线，7为土壤环境参数采集节 点外壳，8为采集节点ZigBee天线凹槽，9为传感器数据线输入凹槽，10为网关ZigBee天线， 11为GPRS天线，12为网关ZigBee高频线，13为GPRS高频线，14为通信网关外壳，15为网关 ZigBee天线凹槽，16为GPRS天线凹槽。
【具体实施方式】 实施例
[0018] 下面参照附图并结合实例对本发明的构思、具体工作过程行清楚完整地描述。显 然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明实施例， 本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护范 围。
[0019] 见图1、图2、图3、图4、图5,一种基于无线传感网的土壤环境监测系统由土壤环境 参数采集节点1、通信网关2和远程监控系统3组成。
[0020] 土壤环境参数采集节点1有一个长方形外壳，在土壤环境参数采集节点外壳7上方 设有1个采集节点ZigBee天线凹槽8和1个传感器数据线输入凹槽9。在土壤环境参数采集节 点外壳7内装有一块土壤环境采集电路板，该土壤环境采集电路板由主处理器电路、射频驱 动电路、信号调理电路组成。该土壤环境采集电路板上的主处理器电路由无线传感器网络 芯片MC13224及其外围电路组成，负责实现数据采集和ZigBee网络数据传输。该土壤环境 采集电路板上的射频驱动电路由阻容器件组成，负责匹配ZigBee天线。该土壤环境采集电 路板上的射频驱动电路上设有1个采集节点ZigBee天线接线端子，通过采集节点ZigBee高 频线6与采集节点ZigBee天线4相连，该采集节点ZigBee天线接线端子位于土壤环境参数采 集节点外壳上方的采集节点ZigBee天线凹槽8处。该土壤环境采集电路板上的信号调理电 路由阻容器件组成，负责对传感器信号进行调理。该土壤环境采集电路板上的信号调理电 路上设有1个传感器数据线接线端子，通过传感器数据线5与土壤环境采集传感器相连，该 传感器数据线接线端子位于土壤环境参数采集节点外壳上方的传感器数据线输入凹槽9 处。
[0021] 所述通信网关2有一个长方形外壳，在通信网关外壳14上方设有1个网关ZigBee天 线凹槽15和1个网关GPRS天线凹槽16。在通信网关外壳14内装有一块通信网关电路板，该通 信网关电路板由微处理器电路、Z i gBee通信电路和GPRS通信电路组成。
[0022] 该通信网关电路板上的微处理器电路由STM32F427ARM处理器及其外围电路组成， 负责ZigBee通信控制和GPRS远程通信控制，将各个土壤环境采集节点的数据进行汇集，通 过GPRS网络将数据发送到远程监控系统3。该通信网关电路板上的ZigBee通信电路由无线 传感器网络芯片MC13224及其外围电路组成，负责与各个土壤环境采集节点进行通信。该 ZigBee通信电路上设有1个网关ZigBee天线接线端子，通过网关ZigBee高频线12与网关 ZigBee天线10相连，该网关ZigBee天线接线端子位于通信网关外壳14上方的网关ZigBee天 线凹槽15处。该通信网关电路板上的GPRS通信电路由GPRS通信芯片SM800L及其外围电路 组成，负责与远程监控系统3进行通信。该GPRS通信电路上设有1个GPRS天线接线端子，通过 GPRS高频线13与GPRS天线11相连，该网关GPRS天线接线端子位于通信网关外壳14上方的 GPRS天线凹槽16处。
[0023]远程监控系统3由服务器及其上位机软件组成，通过GPRS网络接收通信网关2发送 来的数据，实现对监测区域内土壤质量的全天候实时监测。并对土壤污染等突发事件和土 壤质量急剧变化的情况进行报警，为土壤污染的防治提供决策和支持。同时也可通过通信 网关2对监测网络发送命令，控制单个或所有土壤环境采集节点1进行采样，重组网和查找 历史数据等操作。
【主权项】
1. 一种基于无线传感网的土壤环境监测系统，其特征在于，所述系统由土壤境参数采 集节点、通信网关和远程监控系统组成；土壤环境参数采集节点外壳上方设有采集节点 ZigBee天线凹槽和传感器数据线输入凹槽;土壤环境参数采集节点外壳内装有土壤环境采 集电路板，该土壤环境采集电路板由主处理器电路、射频驱动电路、信号调理电路组成;土 壤环境采集电路板上的主处理器电路由无线传感器网络芯片MC13224及其外围电路组成， 土壤环境采集电路板上的射频驱动电路由阻容器件组成，土壤环境采集电路板上的射频驱 动电路上设有采集节点ZigBee天线接线端子，通过采集节点ZigBee高频线与采集节点 ZigBee天线相连，该采集节点ZigBee天线接线端子位于土壤环境参数采集节点外壳上方的 采集节点ZigBee天线凹槽处;通信网关外壳上方设有网关ZigBee天线凹槽和网关GPRS天线 凹槽;通信网关外壳内装有通信网关电路板，该通信网关电路板由微处理器电路、ZigBee通 信电路和GPRS通信电路组成;通信网关电路板上的微处理器电路由STM32F427ARM处理器及 其外围电路组成，通信网关电路板上的ZigBee通信电路由无线传感器网络芯片MC13224及 其外围电路组成，ZigBee通信电路上设有网关ZigBee天线接线端子，通过网关ZigBee高频 线与网关ZigBee天线相连，该网关ZigBee天线接线端子位于通信网关外壳上方的网关 ZigBee天线凹槽处;远程监控系统由服务器及其上位机软件组成，通过GPRS网络接收通信 网关发送来的数据，实现对监测区域内土壤质量的全天候实时监测；同时也通过通信网关 对监测网络发送命令，控制单个或所有土壤监测节点进行采样，重组网和查找历史数据操 作。2. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的土壤环境监测系统，其特征在于，所述 土壤环境采集电路板上的信号调理电路由阻容器件组成，土壤环境采集电路板上的信号调 理电路上设有传感器数据线接线端子，通过传感器数据线与土壤环境采集传感器相连，该 传感器数据线接线端子位于土壤环境参数采集节点外壳上方的传感器数据线输入凹槽处。3. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的土壤环境监测系统，其特征在于，所述 通信网关电路板上的GPRS通信电路由GPRS通信芯片SM800L及其外围电路组成，GPRS通信 电路上设有GPRS天线接线端子，通过GPRS高频线与GPRS天线相连，该网关GPRS天线接线端 子位于通信网关外壳上方的GPRS天线凹槽处。4. 一种基于无线传感网的土壤环境监测系统覆盖控制方法，其特征在于，所述方法包 括以下过程： (1)利用关联规则挖掘方法获得传感器节点集合和目标点集合； 首先，网络初始运行时，所有传感器节点首先处于工作状态，获得其感知范围内的目标 点的信息，通过矩阵来表示传感器节点可能感知到的目标点； 其次，考核每一个传感器节点可以感知到的目标点，如果传感器节点对应目标点集合 中待监测目标点的个数大于给定的最小支持度，就得到了频繁目标集； 传感器节点集合就是关联传感器，目标点集合就是关联目标； (2) 选取目标点频繁集中个数最多的集合U，在对应的传感器节点集合中选 取能量最高的节点，加入工作节点集合，其余节点进入休眠状态； (3) 去除集合3(1^^ 中被选为工作节点的节点以及巧中能被工作节点检 测到的目标点，并形成新的传感器节点集合》S；以及新的目标点:ζ，这样就得到了新的传感 器节点和目标点的对应关系；若集合^不是空集，则继续步骤(2);若为空集，则进入步骤 (4)； (4)判断监测区域中是否存在未被已工作节点覆盖的目标点，则使能覆盖该目标点的 传感器加入工作节点集合； 最终得到需要的工作节点集合，其余节点处于休眠状态，用迭代方法进行优化节约了 网络的能量消耗。
【文档编号】G08C17/02GK105867232SQ201610241582
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】范立南, 何友国
【申请人】沈阳大学