专利名称：一种温室环境远程无线实时监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种二氧化碳远程无线实时监测系统，尤其涉及一种温室环境远程无线实时监测系统及方法。
背景技术：
目前，温室环境监测方式主要有四种方式(1)现场监测监测人员随身携带温度计、湿度计、二氧化碳浓度计等仪器，进行被动的温室环境现场监测记录，人工成本巨大；自动监测将温度、湿度、光照、二氧化碳等传感器整合于同一监测设备，并安置在温室环境中进行自动采集，操作人员定期拷贝数据存储卡中的监测数据，难以实现数据的远程 采集且实时性差；(3)远程监测将温室环境监测设备通过有线方式与附近的电脑相连，通过有线网络远程传输采集数据，监测设备安置后不可移动且布线成本较高；(4)无线监测借助ZigBee/GPRS/3G等无线网络实现采集数据的远程实时无线传输，布点灵活且无需布线，是较理想的监测方案。与本发明最为相近的已有技术有
专利号为200810031646. O公开了基于无线传感器网络的温室精细作物生产环境监测系统及方法，包括无线传感器网络、无线网关和控制台，发现异常监测数据时发送报警短信。然而，该方法采用短信猫作为收发装置，通信费用较高且实时性差。专利号为200920034767. O公开了无线传感器网络温室环境自动监测系统，该系统将大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳和光照强度等六种传感器节点组网后，将采集数据打包上传至数据采集设备，再接入Internet网与通信服务器相连。然而，该系统没有整合六种传感器设计数据采集发送终端，使得每个温室环境小范围内均须同时布设六种传感器节点并组网。专利号为201020636459. 8公开了一种用于温室大棚的无线环境监测装置，该装置采用ZigBee技术组建无线传感网络。然而，ZigBee技术仅适合实现短距离的无线传输，实现协议复杂且费用高，难以满足温室环境大范围离散分布的监测需要。专利号为201110431315. 8公开了基于GSM短消息的无线温室环境监测系统，该系统实时监测温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等数据，定时以GSM短消息的方式发送到手机和远程监控中心实现报警。然而，其没有实现GPRS无线网络通讯，不能进行温室环境监测数据的连续传输，难以满足对温室环境动态连续监测的需要。上述方法或采用短信猫作为收发装置，或没有整合多种传感器节点，或采用ZigBee技术组建无线传感网络，或基于GSM短消息进行异常报警，却忽略了温室环境往往具有大范围离散和小范围密集的分布特征，若纯粹采用ZigBee等短距离无线射频传输方式，则难以满足大范围离散分布的监测需要，若纯粹采用GPRS/3G等无线网络传输数据，则使得小范围密集分布的监测成本过高。因此，急需一种能够兼顾考虑温室环境大范围离散和小范围密集分布的监测需求，具有结构简单、布点灵活、远程监测、无线传输、实时显示、成本低廉和低功耗等特点的监测方案。
发明内容
技术问题本发明的目的是克服现有监测方案的不足，提供一种可操作性强的一种温室环境远程无线实时监测系统及方法。技术方案实现本发明目的的一种温室环境远程无线实时监测系统，包括监测服务器、GPRS无线通信网络、远程数据转发器和温室环境监测仪器；监测服务器通过GPRS无线通信网络连接多个远程数据转发器；每一个远程数据转发器均连接有多个温室环境监测仪器，以各个远程数据转发器为中心呈星型局域网结构无线互连有多个温室环境监测仪器。所述的监测服务器是运行数据监测服务的计算机，监测服务器部署在互联网的任意节点位置，通过GPRS无线通信网络与远程数据转发器建立双向无线连接，获取温室环境监测仪器的监测数据，同时温室环境监测仪器通过GPRS无线通信网络和远程数据转发器获取监测服务器反馈的控制信息，温室环境监测仪器为多个，分别安置各个温室环境中。
所述的远程数据转发器包括电源模块、微控制器、短距离数据接收模块、SD存储模块、LCD显示模块和GPRS无线传输模块；所述的短距离数据接收模块、SD存储模块、LCD显示模块和GPRS无线传输模块分别与微控制器的端口相连接；其中电源模块为远程数据转发器提供电能；短距离无线接受模块接受多个温室环境监测仪器发送来的监测数据；SD存储模块自动存储温室环境监测仪器的监测数据；LCD显示模块实时显示当前的监测数据、无线网络连接状态及电源状态信息；GPRS无线传输模块将温室环境监测仪器的监测数据无线连续传输到监测服务器。所述的温室环境监测仪器包括电源模块、微控制器、温室环境传感器组、GPS接收模块和短距离无线发射模块；温室环境传感器组、GPS接收模块和短距离无线发射模块分别与微控制器的端口相连接；电源模块为温室环境监测仪器提供电能；所述的温室环境传感器组包括气体温度传感器、气体湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器、土壤温度传感器和土壤湿度传感器，该传感器组监测并采集温室环境的气体和土壤状况数据；GPS接收模块远程接收温室环境的定位信息和授时信息，定时信息包括经度、纬度和高程，授时信息以格林尼治时间表示；短距离无线发射模块将监测数据发送给远程数据转发器的短距离无线接收模块。实现无线实时监测的方法包括温室环境的远程无线实时监测方法、温室环境监测仪器实时监测温室环境的状态变化过程和远程数据转发器进行监测数据GPRS无线通信网络传输过程；
(I)、所述的温室环境的远程无线实时监测方法包括以下步骤
a.每个温室环境中安置一个温室环境监测仪器，多个温室环境周围安置多个远程数据转发器，并以远程数据转发器为中心，将多个温室环境监测仪器以星型局域网拓扑结构进行无线互连组网；
b.每个温室环境监测仪器实时监测温室环境的气体、土壤、GPS定位和授时数据；
c.在监测到温室环境的气体和土壤状况发生变化时，温室环境监测仪器的短距离无线发射模块将监测数据无线发射给远程数据转发器的短距离无线接收模块；
d.每个远程数据转发器接受到来自于多个温室环境监测仪器的监测数据后，由GPRS无线传输模块将监测数据通过GPRS无线通信网络连续传输到监测服务器；
e.监测服务器可部署在互联网的任意节点位置，从GPRS无线通信网络接收监测数据，同时提供客户的互联网访问；
(2)、所述的温室环境监测仪器实时监测温室环境的状态变化过程，包括如下步骤
2a.每个温室环境监测仪器接通电源后，微处理器对温室环境传感器组、GPS定位模块 和短距离无线发射模块进行初始化，实时监测并控制各模块的运行状态；
2b.温室环境传感器组包括气体温度传感器、气体湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器、土壤温度传感器和土壤湿度传感器，实时监测温室环境的气体和土壤状态变化，并将监测数据传递给微控制器；
2c. GPS接收模块实时获取当前温室环境的定位和授时信息，定时信息包括经度、纬度和高程，授时信息以格林尼治时间表示，并将GPS接收数据传递给微控制器；
2d.微控制器实时对接收到的温室环境的气体、土壤和GPS监测数据进行对比分析； 2e.判断温室环境的监测数据是否发生变化，
当微控制器分析到温室环境监测数据发送变化时，将监测数据进行封装，并通过短距离发射模块将监测数据无线发送给相连接的远程数据转发器；
当没有发生变化，微处理器进入休眠状态，定时被唤醒接收温室环境传感器组和GPS接收模块传递来的监测数据，执行步骤2d ；
(3)、所述的远程数据转发器进行监测数据GPRS无线通信网络传输过程，包括如下步
骤
3a.每个远程数据转发器接通电源后，微控制器初始化短距离无线接收模块、SD存储模块、IXD显示模块和GPRS无线传输模块，实时监测并控制各模块的运行状态；
3b. GPRS无线传输模块拨号上线，连接监测服务器与远端移动网握手实现点对点通
目;
3c.等待短距离数据接收模块获取温室环境监测仪器无线发送来的监测数据；
3d.将获取的监测数据自动连续存储到SD存储模块中；
3e.将当前的监测数据、无线网络连接状态和电源状态数据信息在LCD显示模块上实时显示；
3f.判断GPRS无线传输模块与监测服务器连接是否成功，如连接不成功则执行步骤b ；3g.判断SD存储模块中是否存在未发送数据，若存在未发送数据，将SD存储模块中未发送的监测数据进行用户数据包协议UDP封包，通过GPRS无线传输模块进行无线传输发送；
h.将当前监测数据进行用户数据包协议UDP封包，通过GPRS无线传输模块进行无线传输发送。有益效果本发明采用温室环境监测仪器采集当前温室环境的气体温度、气体湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、GPS定位和授时信息，并通过温室环境监测仪器的短距离无线发射模块发送给远程数据转发器的短距离无线接收模块，远程数据转发器通过SD数据存储模块、LCD显示模块和GPRS无线传输模块分别进行监测数据的自动存储、实时显示和无线传输。能够兼顾温室环境大范围离散和小范围密集分布的监测需求，可操作性强。
优点具有监测布点灵活、远程监测、自动存储、实时显示、无线传输的特点。其结构简单，成本低廉且低功耗；
I、能够兼顾温室环境大范围离散和小范围密集分布的监测需求，在大范围离散分布时采用GPRS无线通信网络传输监测数据，在小范围密集分布时采用短距离无线收发传输监测数据。2、每个温室环境中安置一个温室环境监测仪器，多个温室环境周围安置多个远程数据转发器，并以远程数据转发器为中心呈星型局域网拓扑结构无线互连组网，将监测数据由温室环境监测仪器的短距离无线发射模块发送给远程数据转发器的短距离无线接收模块，通信成本低廉且可扩展性强。3、远程数据转发器通过GPRS无线通信网络与监测服务器建立双向无线连接，既可无线实时连续获取监测数据，又可同时反馈客户的互联网访问控制，GPRS网络覆盖范围
广。
图I是本发明基于星型局域网和GPRS的温室环境远程无线实时监测系统的结构图。图2是本发明监测服务器与远程数据转发器的GPRS连接图。图3是本发明远程数据转发器与温室环境监测仪器的星型局域网拓扑结构互连图。图4是本发明温室环境监测仪器的模块连接图。图5是本发明温室环境的远程无线实时监测方法的流程图。图6是本发明温室环境监测仪器实时监测温室环境的状态变化过程的流程图。图7是本发明远程数据转发器进行监测数据GPRS无线通信网络传输过程的流程图。图中101、监测服务器；102、远程数据转发器；103、温室环境监测仪器；201、电源模块；202、微控制器；203、短距离无线接收模块；204、SD存储模块；205、IXD显示模块；206、GPRS无线传输模块；301、电源模块；302、微控制器；303、温室环境传感器组；304、GPS接收模块；305、短距离无线发射模块。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步描述
实施例I:在图I中，本发明的一种温室环境远程无线实时监测系统，包括监测服务器101、分别与监测服务器101通过GPRS无线通信网络相连接的多个远程数据转发器102、以各个远程数据转发器102为中心呈星型局域网结构无线互连的多个温室环境监测仪器103。在图2中，远程数据转发器102包括电源模块201、微控制器202、分别与微控制器202相连接的短距离数据接收模块203、SD存储模块204、IXD显示模块205和GPRS无线传输模块206。其中电源模块201为远程数据转发器102提供电能；短距离无线接受模块203接受多个温室环境监测仪器103发送来的监测数据；SD存储模块204自动存储温室环境监测仪器103的监测数据；LCD显示模块205实时显示当前的监测数据、无线网络连接状态及电源状态信息；GPRS无线传输模块206采用支持全球移动通信系统/通用分组无线业务GSM/GPRS双频无线模块，以国际移动设备身份码IMEI作为唯一识别标识，将温室环境监测仪器103的监测数据无线连续传输到监测服务器101。在图3中，温室环境监测仪器103包括电源模块301、微控制器302、分别与微控制器302相连接的温室环境传感器组303、GPS接收模块304和短距离无线发射模块305 ；电源模块301为温室环境监测仪器103提供电能；温室环境传感器组303监测并采集温室环境的气体和土壤状况数据；GPS接收模块304远程接收温室环境的定位信息和授时信息，定时信息包括经度、纬度和高程，授时信息以格林尼治时间(世界时)表示；短距离无线发射模块305将监测数据发送给远程数据转发器102的短距离无线接收模块203。在图4中，温室环境传感器组303包括气体温度传感器、气体湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器、土壤温度传感器和土壤湿度传感器。32位的微控制器302通过两线式串行总线I2C连接气体温度传感器、气体湿度传感器、光照强度传感器、土壤温度传感器和土壤湿度传感器；采用通用异步收发器UART连接二氧化碳传感器和GPS接收模块 304 ;通过串口外设接口总线SPI连接短距离无线发射模块305。在图5中，温室环境的远程无线实时监测方法包括以下步骤
a.每个温室环境中安置一个温室环境监测仪器103，多个温室环境周围安置多个远程数据转发器102，并以远程数据转发器102为中心，将多个温室环境监测仪器103以星型局域网拓扑结构进行无线互连组网；
b.每个温室环境监测仪器103实时监测温室环境的气体、土壤、GPS定位和授时等数
据；
c.在监测到温室环境的气体和土壤状况发生变化时，温室环境监测仪器103的短距离无线发射模块305将监测数据无线发射给远程数据转发器102的短距离无线接收模块
203；
d.每个远程数据转发器102接受到来自于多个温室环境监测仪器103的监测数据后，由GPRS无线传输模块206将监测数据通过GPRS无线通信网络连续传输到监测服务器101 ；
e.监测服务器101可部署在互联网的任意节点位置，负责从GPRS无线通信网络接收监测数据，同时提供客户的互联网访问；
在图6中，温室环境监测仪器103实时监测温室环境的状态变化过程，包括如下步骤2a.每个温室环境监测仪器103接通电源后，微处理器302对温室环境传感器组303、GPS定位模块304和短距离无线发射模块305进行初始化，实时监测并控制各模块的运行状态；
2b.温室环境传感器组303包括气体温度传感器、气体湿度传感器、光照强度、二氧化碳传感器、土壤温度传感器和土壤湿度传感器，实时监测温室环境的气体和土壤状态变化，并将监测数据传递给微控制器302 ；
2c. GPS接收模块304实时获取当前温室环境的定位和授时信息，定时信息包括经度、纬度和高程，授时信息以格林尼治时间(世界时)表示，并将GPS接收数据传递给微控制器302 ；
2d.微控制器302实时对接收到的温室环境的气体、土壤和GPS等监测数据进行对比分析；
2e.判断温室环境的监测数据是否发生变化，
当微控制器302分析到温室环境监测数据发送变化时，将监测数据进行封装，并通过短距离发射模块305将监测数据无线发送给相连接的远程数据转发器102 ；
当没有发生变化，微处理器302进入休眠状态，定时被唤醒接收温室环境传感器组303和GPS接收模块304传递来的监测数据，执行步骤2d。图7中，远程数据转发器102进行监测数据GPRS无线通信网络传输过程，包括如下步骤
3a.每个远程数据转发器102接通电源后，微控制器202初始化短距离无线接收模块203、SD存储模块204、LCD显示模块205和GPRS无线传输模块206，实时监测并控制各模块的运行状态；· 3b. GPRS无线传输模块206拨号上线，连接监测服务器101与远端移动网握手实现点对点通信；
3c.等待短距离数据接收模块203获取温室环境监测仪器103无线发送来的监测数
据；
3d.将获取的监测数据自动连续存储到SD存储模块204中；
3e.将当前的监测数据、无线网络连接状态和电源状态数据等信息在LCD显示模块205上实时显示；
3f.判断GPRS无线传输模块206与监测服务器连接是否成功，如连接不成功则执行步骤3b ；
3g.判断SD存储模块204中是否存在未发送数据，若存在未发送数据，将SD存储模块
204中未发送的监测数据进行用户数据包协议UDP封包，通过GPRS无线传输模块206进行无线传输发送；
h.将当前监测数据进行用户数据包协议UDP封包，通过GPRS无线传输模块206进行无线传输发送。
权利要求
1.一种温室环境远程无线实时监测系统，其特征是它包括监测服务器(101)、GPRS无线通信网络、远程数据转发器(102)和温室环境监测仪器(103);监测服务器(101)通过GPRS无线通信网络连接多个远程数据转发器(102);每一个远程数据转发器(102)均连接有多个温室环境监测仪器(103)，以各个远程数据转发器(102)为中心呈星型局域网结构无线互连有多个温室环境监测仪器(103)。
2.根据权利要求I所述的一种温室环境远程无线实时监测系统，其特征是所述的监测服务器(101)是运行数据监测服务的计算机，监测服务器(101)部署在互联网的任意节点位置，通过GPRS无线通信网络与远程数据转发器(102)建立双向无线连接，获取温室环境监测仪器(103)的监测数据，同时温室环境监测仪器(103)通过GPRS无线通信网络和远程数据转发器(102)获取监测服务器(101)反馈的控制信息，温室环境监测仪器(103)为多个，分别安置在各个温室环境中。
3.根据权利要求I所述的一种温室环境远程无线实时监测系统，其特征是所述的远程数据转发器(102)包括电源模块(201)、微控制器(202)、短距离数据接收模块(203)、SD存储模块(204)、IXD显示模块(205)和GPRS无线传输模块(206);所述的短距离数据接收模块(203)、SD存储模块(204)、LCD显示模块(205)和GPRS无线传输模块(206)分别与微控制器(202)的端口相连接；其中电源模块(201)为远程数据转发器(102)提供电能；短距离无线接受模块(203)接受多个温室环境监测仪器(103)发送来的监测数据；SD存储模块(204)自动存储温室环境监测仪器(103)的监测数据；IXD显示模块(205)实时显示当前的监测数据、无线网络连接状态及电源状态信息；GPRS无线传输模块(206)将温室环境监测仪器(103)的监测数据无线连续传输到监测服务器(101)。
4.根据权利要求I所述的一种温室环境远程无线实时监测系统，其特征是所述的温室环境监测仪器(103)包括电源模块(301)、微控制器(302)、温室环境传感器组(303)、GPS接收模块(304)和短距离无线发射模块(305);温室环境传感器组(303)、GPS接收模块(304)和短距离无线发射模块(305)分别与微控制器(302)的端口相连接；电源模块(301)为温室环境监测仪器(103)提供电能；所述的温室环境传感器组(303)包括气体温度传感器、气体湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器、土壤温度传感器和土壤湿度传感器，该传感器组监测并采集温室环境的气体和土壤状况数据；GPS接收模块(304)远程接收温室环境的定位信息和授时信息，定时信息包括经度、纬度和高程，授时信息以格林尼治时间表示；短距离无线发射模块(305)将监测数据发送给远程数据转发器(102)的短距离无线接收模块(203)。
5.一种如权利要求1-4所述系统的温室环境远程无线实时监测方法，其特征是它包括温室环境的远程无线实时监测方法、温室环境监测仪器(103)实时监测温室环境的状态变化过程和远程数据转发器(102)进行监测数据GPRS无线通信网络传输过程； (I)、所述的温室环境的远程无线实时监测方法包括以下步骤 a.每个温室环境中安置一个温室环境监测仪器(103)，多个温室环境周围安置多个远程数据转发器(102)，并以远程数据转发器(102)为中心，将多个温室环境监测仪器(103)以星型局域网拓扑结构进行无线互连组网； b.每个温室环境监测仪器(103)实时监测温室环境的气体、土壤、GPS定位和授时数据；C.在监测到温室环境的气体和土壤状况发生变化时，温室环境监测仪器(103)的短距离无线发射模块(305)将监测数据无线发射给远程数据转发器(102)的短距离无线接收模块(203)； d.每个远程数据转发器(102)接受到来自于多个温室环境监测仪器(103)的监测数据后，由GPRS无线传输模块(206)将监测数据通过GPRS无线通信网络连续传输到监测服务器(101)； e.监测服务器(101)可部署在互联网的任意节点位置，从GPRS无线通信网络接收监测数据，同时提供客户的互联网访问； (2)、所述的温室环境监测仪器(103)实时监测温室环境的状态变化过程，包括如下步骤 2a.每个温室环境监测仪器(103)接通电源后，微处理器(302)对温室环境传感器组(303)、GPS定位模块(304)和短距离无线发射模块(305)进行初始化，实时监测并控制各模块的运行状态； 2b.温室环境传感器组(303)包括气体温度传感器、气体湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器、土壤温度传感器和土壤湿度传感器，实时监测温室环境的气体和土壤状态变化，并将监测数据传递给微控制器(302)； 2c. GPS接收模块(304)实时获取当前温室环境的定位和授时信息，定时信息包括经度、纬度和高程，授时信息以格林尼治时间表示，并将GPS接收数据传递给微控制器(302)； 2d.微控制器(302)实时对接收到的温室环境的气体、土壤和GPS监测数据进行对比分析； 2e.判断温室环境的监测数据是否发生变化， 当微控制器(302)分析到温室环境监测数据发送变化时，将监测数据进行封装，并通过短距离发射模块(305)将监测数据无线发送给相连接的远程数据转发器(102)； 当没有发生变化，微处理器(302)进入休眠状态，定时被唤醒接收温室环境传感器组(303)和GPS接收模块(304)传递来的监测数据，执行步骤2d ； (3)、所述的远程数据转发器(102)进行监测数据GPRS无线通信网络传输过程，包括如下步骤 3a.每个远程数据转发器(102 )接通电源后，微控制器(202 )初始化短距离无线接收模块(203)、SD存储模块(204)、LCD显示模块(205)和GPRS无线传输模块(206)，实时监测并控制各模块的运行状态； 3b. GPRS无线传输模块(206)拨号上线，连接监测服务器(101)与远端移动网握手实现点对点通信； 3c.等待短距离数据接收模块(203)获取温室环境监测仪器(103)无线发送来的监测数据； 3d.将获取的监测数据自动连续存储到SD存储模块(204)中； 3e.将当前的监测数据、无线网络连接状态和电源状态数据信息在LCD显示模块(205)上实时显示； 3f.判断GPRS无线传输模块(206)与监测服务器连接是否成功，如连接不成功则执行步骤3b ；3g.判断SD存储模块(204)中是否存在未发送数据，若存在未发送数据，将SD存储模块(204 )中未发送的监测数据进行用户数据包协议UDP封包，通过GPRS无线传输模块(206 )进行无线传输发送； h.将当前监测数据进行用户数据包协议UDP封包，通过GPRS无线传输模块(206)进行无线传输发送。
全文摘要
一种温室环境远程无线实时监测系统及方法，属于二氧化碳远程实时监测领域。监测系统包括监测服务器、分别与监测服务器通过GPRS无线通信网络相连接的多个远程数据转发器、以各个远程数据转发器为中心呈星型局域网结构无线互连的多个温室环境监测仪器；远程数据转发器包括电源模块、微控制器、分别与微控制器相连的短距离无线接收模块、SD存储模块、LCD显示模块和GPRS无线传输模块；温室环境监测仪器包括电源模块、微控制器、分别与微控制器相连的温室环境传感器组、GPS定位模块和短距离无线发射模块；兼顾温室环境大范围离散和小范围密集分布的监测需求，结构简单、布点灵活、远程实时、无线传输、实时显示、成本低廉和低功耗。
文档编号G08C17/02GK102903219SQ20121040400
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者杨慧, 慈慧, 秦勇, 酆格斐 申请人:中国矿业大学