一种基于混合天线WSN的森林微气象数据监测系统的制作方法

本实用新型涉及森林气象监测的技术领域，更具体地说，涉及一种基于混合天线WSN的森林微气象数据监测系统。

背景技术：

目前，森林环境监测中采用的WSN环境监测系统多采用全向天线，采用全向天线的无线传感器网络节点可以减少节点在无线信道上的碰撞，提高信道的空间复用度，最终提高整个网络的传输性能。其多数采用基于邻节点信息的WSN拓扑控制算法，WSN节点获取信号时候的开销较小，具有较强的适用性。

而采用定向天线的阵列则具有较强的干扰抑制能力、波束控制方式、信号增益以及空间分辨力等优点。能够大幅度提高WSN信道资源的空间复用度。此外，使用定向天线WSN节点在相同功率使用条件下，能够在信号辐射主瓣方向上具有较远的发送距离。文献表明，在同样条件下，采用定向天线的WSN节点在同等情况下可以提高无线自组网的传输功能，可以减小端到端的延时。

在无线传感器网络中使用定向天线可定向控制天线阵列，有一个灵活的波束控制机制，具有较高的信号增益，较强的抗干扰能力和较高的空间分辨力等优点，可以大大提高无线信道资源的空间复用度。另外，在相同的发送功率的条件下，定向天线主瓣方向的信号覆盖距离要比全向天线的覆盖距离长。在相同的情况下，使用定向天线的节点可以比使用全向天线的网络容量大，并能够降低端到端延迟。

由于定向天线的方向性传输提高了无线传感器网络的空间复用度，使得多个节点的传输信号可以同时进行，可以通过对WSN簇内节点的区域布置，实现减少全向天线WSN节点个数，路由节点有效收集到区域内的全向天线传感器节点的环境信息，同时也减少了相同传输距离下的节点功耗。而传输距离的增加使得每个端到端的传输所需的跳数减少，增加空间复用度和天线射程，提升无线传感器网络的系统容量。

当前森林环境监测WSN系统多数采用分簇的方式布置全向天线WSN节点，节点的数量多，网络的空间复用度低，WSN节点之间功耗大，信号的传输需要经过多个节点，跳数多，相同传输距离下节点功耗较高。针对森林环境中树木植株较高，种植密度较高的现状，WSN节点间的通信需要较大的增益才能够进行远距离的传送，因此采用全向天线WSN节点实现森林环境过程中的数据传送会造成以下缺点：

1.单一使用定向天线会造成节点布置成本提高，而单一使用全向天线则会造成覆盖范围过小。

2.使用WSN的多条路由容易在森林环境下由于部分节点信号缺失问题，导致真个网络拓扑结构的不稳定。

3.由于天线增益低，容易出现数据包接收丢包率过高。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于混合天线WSN的森林微气象数据监测系统，可以有效监测森林环境中的空气温湿度、土壤水分以及CO2的浓度。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型一种基于混合天线WSN的森林微气象数据监测系统，包括上位机，所述上位机用于对森林微气象数据进行查询、管理和维护，还包括WSN汇聚节点和多个簇头节点，所述WSN汇聚节点上设置有定向天线，构成定向天线WSN汇聚节点，所述多个簇头节点上均设置全向天线；所述WSN汇聚节点将各个簇头节点采集的森林微气象数据进行汇总，汇总后的数据通过无线方式传送至上位机；所述WSN汇聚节点通过无线方式连接多个簇头节点，每个簇头连接有多个用于感知森林环境微气象的传感器模块；所述WSN汇聚节点包括网关、定向天线、太阳能电池和步进电机，所述太阳能电池为网关和步进电机供电，所述步进电机用于驱动所述定向天线工作。

作为优选的技术方案，所述WSN汇聚节点的网关通过GPRS模块与上位机无线连接。

作为优选的技术方案，所述传感器模块包括空气温湿度传感器、土壤水分传感器以及CO2传感器。

作为优选的技术方案，还包括用于对传感器模块收集到的监测信号进行处理的处理器模块，所述处理器模块通过电路信号的处理功能，将传感器模块所监测到的物理信号转换为模拟信号。

作为优选的技术方案，所述处理器模块选用STM32系列芯片。

作为优选的技术方案，每个簇头节点通过无线方式连接有多个二级簇头，每个二级簇头又通过无线的方式连接有多个传感器模块。

作为优选的技术方案，所述网关的处理器选用16位超低功耗的MSP430F149单片机。

作为优选的技术方案，所述GPRS模块选用MC55模块，负责网关与监测中心的远程数据通信和报警短信的发送。

作为优选的技术方案，所述定向天线为方形定向天线。

本实用新型的原理为：本实用新型通过对定向天线WSN节点在数据采集与传送过程中进行分簇迭代，利用定向天线实现射频信号的定向扩散的方式，对独立节点进行分簇归类，使单独节点进入距离自己最近的簇群，减少了网络簇头形成过程中选择的随机性。利用定向天线定向传播、能够远距离传送信号的特性，采用步进电机驱动定向天线转动，让定向天线WSN汇聚节点能够收集到不同方位的簇头发送来的数据。本实用新型的系统可以减少孤立节点的数目，使其无须参加簇间路由查找，节省了网络节点能量的消耗。同时，通过判断簇头工作一段时间后剩余能量的多少，采用簇头轮换策略，实现簇头能耗的减少，保证网络簇头的有效工作，实现簇头分布合理，每轮簇头能耗总和大大降低。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型对森林微气象环境的土壤含水量、空气温度、湿度、二氧化碳浓度等环境参数指标进行现场数据采集，通过无线传输技术把监测数据发送到汇聚节点，再由汇聚节点把数据发送到监控中心，实现对森林微气象数据的远程实时监测，对降低生产成本、减轻劳动者工作强度具有一定的现实意义。

2、本实用新型通过定向天线的方向性传输提高了无线传感器网络的空间复用度，使得多个节点的传输信号可以同时进行，可以通过对WSN簇内节点的区域布置，实现减少全向天线WSN节点个数，路由节点有效收集到区域内的全向天线传感器节点的环境信息，同时也减少了相同传输距离下的节点功耗。

3、本实用新型有效解决森林环境中的树木、地形等因素使天线产生多径效应，进而引起信道的衰落的问题。使用混合天线WSN能有效减少森林微气象环境中树木的行距、株距，密度等因素对数据采集的影响。

附图说明

图1是本实用新型监测系统的结构图。

图2是本实用新型定向天线WSN汇聚节点的结构组成示意图；

图3是本实用新型数据采集节点的结构示意图；

图4是本实用新型定向天线WSN簇头更替示意图；

图5是本实用新型定向天线WSN汇聚节点处理器的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图3所示，本实施例一种基于混合天线WSN的森林微气象数据监测系统，包括上位机、WSN汇聚节点和多个簇头节点，所述上位机用于对森林微气象数据进行查询、管理和维护，所述WSN汇聚节点上设置有定向天线，构成定向天线WSN汇聚节点(如图1所示)，所述多个簇头节点上均设置全向天线。所述簇头节点簇头的作用为收集簇内各个WSN节点采集的数据，簇内的WSN节点装载空气温湿度传感器、土壤水分传感器和CO2传感器；所述WSN汇聚节点将各个簇头节点采集的森林微气象数据进行汇总，汇总后的数据通过无线方式传送至上位机；所述WSN汇聚节点通过无线方式连接多个簇头节点，每个簇头连接有多个用于感知森林环境微气象的传感器模块；所述WSN汇聚节点包括网关、定向天线、太阳能电池和步进电机，所述太阳能电池为网关和步进电机供电，所述步进电机用于驱动所述定向天线工作。本监测系统中的定向天线WSN汇聚节点采用定向天线，簇头节点和成员节点采用全向天线，所监测到的数据通过上位机进行显示。

本实施例中，所述上位机和网关通过GPRS的方式连接。

本实施例中，所述传感器模块包括空气温湿度传感器、土壤水分传感器以及CO2传感器，所述空气温湿度传感器、土壤水分传感器以及CO2传感器设置于待监测区域的森林环境中。

如图5所示，本实施例还包括用于对传感器模块收集到的监测信号进行处理的处理器模块，通过电路信号的处理功能，将传感器模块所监测到的物理信号转换为模拟信号。所述网关的处理器选用TI公司生产的一种16位超低功耗的MSP430F149单片机，它具有运行速度快、处理能力强、片内资源丰富、低功耗等特点，GPRS模块选用了集成TCP/IP协议的Siemens公司生产的MC55模块，负责网关与监测中心的远程数据通信和报警短信的发送。射频模块采用Nordic公司生产的nRF905，工作频段为433MHz，标配方形定向天线。

本实施例中，所述处理器模块选用STM32系列芯片，具体为STM32F103C8T6，当然其他符合本申请的芯片同样适用。

如图4所示，每个簇头通过无线方式连接有多个二级簇头，每个二级簇头又通过无线的方式连接有多个传感器模块。具体为：在基于定向天线的WSN节点中，将定向天线配置在WSN汇聚节点上，而用全向天线配置在其他成员节点上。在网络初始化的时候，所有节点已经得知汇聚节点的位置。由图4所示，汇聚节点位于网络边缘的正下方。汇聚节点以α角度为辐射角向成员节点方向发出广播信号，此时WSN汇聚节点的天线信号辐射范围为直径d。

定义天线的最远发送距离是为了节省能量，其次是保证簇间通信不互相干扰。通过图4可以看到，在汇聚节点广播覆盖范围内，不同区域的节点可能有不同的被覆盖程度，那些被交叉覆盖程度最高的节点能够成为发送范围内节点的簇头。

通过图4还可以看到，网络覆盖区域中灰色节点成为覆盖它所在区域白色节点的簇头(一级簇头)。但是，有时候也会存在一级簇头的监测区域中节点的被覆盖程度较低，没有节点会被挑选为簇头。这些节点和一级簇头都采用相同的模式向汇聚节点信号的辐射方向定向地发出广播信号。根据覆盖程度，在离汇聚节点更近的区域中选出新的簇头，在这类簇头中，如果成员节点中有一级簇头的，则自身会成为二级簇头，如图4中所示黑色节点。当成员节点中不存在一级簇头，则将自身定位为一级簇头。这样网络从由远离定向天线WSN汇聚节点的区域到靠近定向天线WSN汇聚节点的区域一层一层的形成簇群，以及相应不同级别的簇头。簇群的形成一直到节点的发射范围可以直接覆盖到定向天线WSN汇聚节点为止。这样，只有靠近定向天线WSN汇聚节点的成员节点可以直接和定向天线WSN汇聚节点通信以达到更高的通信效率和更小的能量消耗。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。