专利名称：基于无线传感器网络的农业节水灌溉系统与方法
技术领域：
本发明涉及农业节水灌溉与传感器监测领域，具体是一种基于无 线传感器网络的农业节水灌溉系统与方法。
背景技术：
我国的农业有着外界环境的多变性，土地环境的多样性，地质结 构的复杂性的特点，普通的仪器设备很难做到既经济又准确的实时监 测，同时针对农业种植的地区范围比较大这一特点，节水灌溉也要考 虑到节省劳动力与节约能源方面的要求，以切实减少农业生产成本。 当前的农业生产有着其多样性，不同农作物对水分的要求也是不同 的，而现有节水灌溉大都没有根据农作物实际需要和种植环境的实际 情况，显出兼容性不够好的特点。目前无线技术在农业中的应用比较广泛，但大都是具有基站的星 型拓扑结构的应用，并不是真正意义上的无线传感器网络。发明内容针对以上技术缺陷，本发明旨在提供一种基于无线传感器网络的 农业节水灌溉系统，能根据不同的种植物的特点，安排出合理有效的 节水灌溉方案，同时由于这套设备可扩展性强，可以与其他信息化设 备综合利用，能够给农业生产提供信息化，多元化的实惠服务。为实现上述发明目的，本发明的技术方案是这种基于无线传感器 网络的农业节水灌溉系统，由无线传感器节点、网关、管理中心和灌 溉设备组成，其中无线传感器节点由中央处理器，存储器，支持802.15.4协议的无线通信模块和传感板组成，并采用干电池供电，其 中网关包括中央处理器，存储器，网关通过其内部的网络接入模块接 入网络，并采用太阳能电池供电，网关与传感器节点通过无线通信的 方式进行连接，其中图3网关节点中的协议转化与通信模块能够实现 无线传感器网络接入无线局域网。本发明还包括上述基于无线传感器网络的农业节水灌溉系统的 一种基于无线传感器网络的节水灌溉方法，首先将网关与网络连接， 把网关通过无线方式接入Internet或者无线局域网，也可通过有线的 方式布置网线使其接入网络；将接入网络的网关均匀放置在农作物种 植区内，使网关控制的灌溉设备的灌溉范围覆盖所有的种植区域，配 置网关的网络设置，再给每个网关进行编号，同时记录下网关的位置 信息；然后将无线传感器节点随机撒放到农作物种植区域内，保证每 个传感器节点的至少在一个网关的射频通信范围内，最后通过上述无 线传感器网络对灌溉设备进行控制，其特征在于，其控制方法是步骤l，传感器节点通过传感板采集到附近的湿度，水分数据以 及记录下接收到的网关的发射功率强度，传感器节点间通过自组织成 无线多跳网络，把数据传送到最近的一个网关；步骤2，网关根据传感器节点送来的数据，计算出该传感器器节 点相对于该网关的位置，将此位置信息，网关编号连同采集的数据信 息通过网络发给管理中心；
步骤3，管理中心对数据进行处理、分析，当所得数据低于设定 的阈值的时候，管理中心将此数据包的位置信息反馈给对应编号的网关；步骤4，网关根据反馈回来的数据包，以确定需要灌溉的区域位 置，通过调节灌溉设备对该区域进行灌溉。结合附图，本发明详细描述如下图1为基于无线传感器网络的农业节水灌溉系统的示意图，由带有湿度传感板的无线传感器节点、 网关、管理中心和灌溉设备组成，网关通过有线或者无线网络的方式接入局域网或者Internet,网关与传感器节点通过无线通信的方式进 行连接。网关把从传感器节点收集的数据传给管理中心，管理中心通 过对数据的处理，计算，分析，得到需要灌溉的区域的信息，将此信 息反馈给特定的网关，由网关控制其支配的灌溉设备对指定的区域进 行灌溉，从而实现种植区域内灌溉的闭环控制。图2为无线传感器节点系统示意图，由中央处理器，存储器，支 持802.15.4协议无线通信模块和传感板组成，传感器节点通过传感板 采集种植区域内的湿度水分信息，送交中央处理器处理，存储器可以 缓存数据和一些简单的应用程序。数据通过无线通信模块发射出去， 传感器节点间通过预先设定的算法自组织成网络进行数据的转发，最 终送给网关进行处理。传感器节点由普通的干电池供电，由于传感器 节点自身的节能设计与能量高效路由设计，能保证较长时间不必更换 电池，同时由于无线传感器网络的健壮性，能够有效的应对某传感器 节点失效的情况，非常适应于农业种植环境多变的外界环境对节点的影响。图3为网关节点系统示意图，网关有网络接入模块，能够通过 壬线或著有线的方式接入网络。网关的中央处理器，存储器比传感器 节点的功能强大，能够对收集到的数据通过网络传给管理中心。中央 处理器能够接收管理中心的指令，控制灌溉设备开关对指定的区域进 行灌溉。网关通过太阳能电池供电，能够有效的节约能源，降低成本。 协议栈转化模块能够实现无线传感器网络接入无线局域网。图4基于无线传感器网络的农业节水灌溉方法的流程图，整个系统运行过程如下1-首先布置好与网络连接好的网关，有条件的地区可以把网关通过无线方式接入Internet或者无线局域网，不具备条件的通过有线 的方式布置网线以保证网关接入网络；2:将接入网络的网关均匀放置在农作物种植区内，以保证网关 控制的灌溉设备的灌溉范围能基本覆盖所有的种植区域，配置好网关 的网络设置，给每个网关进行编号，同时记录下网关的位置信息；3:将无线传感器节点随机撒放到农作物种植区域内，保证每个传感器节点的至少在一个网关的射频通信范围内，同时尽量用最小数 目的传感器以保证所有区域都能被监测到(具体的覆盖范围要根据具体的传感器节点确定)；4:开始工作时，传感器节点通过传感板采集到的附近的湿度， 水分数据以及记录下接收到的网关的发射功率强度，传感器节点间通 过卦组织成无线多跳网络，把这些数据传送到最近的一个网关；5:网关根据传感器节点送来的数据，计算出该传感器器节点相 对于该网关的位置，将此位置信息，网关编号连同采集的数据信息通 过网络发给管理中心-，6:管理中心对数据进行处理，分析，当某一数据低于设定的阈 值的时候，管理中心将此数据包的位置信息反馈给对应编号的网关。7:网关根据反馈回来的数据包，以确定需要灌溉的区域位置， 通过调节灌溉设备对该区域进行有效的灌溉。本发明能根据不同的种植物的特点，安排出合理有效的节水灌溉 方案，同时由于这套设备可扩展性强，可以与其他信息化设备综合利 用，能够给农业生产提供信息化，多元化的实惠的服务。
图1是本发明中的一种基于无线传感器网络的节水灌溉系统的示 意图。图2是本发明中无线传感器节点系统示意图。图3是本发明中网关节点系统示意图。图4本发明中的一种基于无线传感器网络的节水灌溉方法的流程图。在附图中1-管理中心 2-网关 3-无线传感器节点 4-灌溉设备具体实施方式
网关通过有线或者无线网络的方式接入局域网或者Internet,网
关与WSNNode传感器节点通过无线通信的方式进行连接。网关把从 传感器节点收集的数据传给管理中心，管理中心通过对数据的处理， 计算，分析，得到需要灌溉的区域的信息，将此信息反馈给特走的网 关，由网关控制其支配的灌溉设备对指定的区域进行灌溉，从而实现 种植区域内灌溉的闭环控制。其中无线传感器节点系统示意图，由中央处理器，存储器，支持 802.15.4协议无线通信模块和传感板组成，其中处理器采用低功耗微 处理器芯片ATmegal28，射频部分采用XS110芯片，扩展存储采用 512KB的低功耗FLASH存储器，供电模块采用高质量的纽扣电池供 电。传感器节点通过传感板采集种植区域内的湿度水分信息，送交中 央处理器处理，存储器可以缓存数据和一些简单的应用程序。数据通 过无线通信模块发射出去，传感器节点间通过预先设定的算法自组织 成网络进行数据的转发，最终送给网关进行处理。传感器节点由普通 的干电池供电，由于传感器节点自身的节能设计与能量高效路由设 计，能保证较长时间不必更换电池，同时由于无线传感器网络的健壮 性，能够有效的应对某传感器节点失效的情况，非常适应于农业种植 环境多变的外界环境对节点的影响。其中网关节点系统示意图，网关有网络接入模块，能够通过无线 或者有线的方式接入网络。网关的中央处理器，存储器比传感器节点 的功能强大，能够对收集到的数据通过网络传给管理中心。中央处理 器能够接收管理中心的指令，控制灌溉设备开关对指定的区域进行灌 溉。网关通过太阳能电池供电，能够有效的节约能源，降低成本。协
议栈转化模块能够实现无线传感器网络能够接入无线局域网。整个系统运行过程如下首先布置好与网络连接好的网关，有条件的地区可以把网关通过无线方式接入Internet或者无线局域网，不 具备条件的通过有线的方式布置网线以保证网关接入网络。再将接入 网络的网关均匀放置在农作物种植区内，以保证网关控制的灌溉设备 的灌溉范围能基本覆盖所有的种植区域，配置好网关的网络设置，给 每个阿关进行编号，同时记录下网关的位置信息。将无线传感器节点 随机撒放到农作物种植区域内，保证每个传感器节点的至少在一个网 关的射频通信范围内，同时尽量用最小数目的传感器以保证所有区域 都能被监测到，开始工作时，传感器节点通过传感板采集到的附近的 湿度，水分数据以及记录下接收到的网关的发射功率强度，传感器节 点间通过自组织成无线多跳网络，把这些数据传送到最近的一个网 关。网关根据传感器节点送来的数据，计算出该传感器器节点的相对 于该网关的位置，将此位置信息，网关编号连同采集的数据信息通过 网络发给管理中心。管理中心对数据进行处理，分析，当某一数据低 于设定的阈值的时候，管理中心将此数据包的位置信息反馈给对应编 号的网关。最后网关根据反馈回来的数据包，以确定需要灌溉的区 域位置，通过调节灌溉设备对该区域进行有效的灌溉。
权利要求
1、一种基于无线传感器网络的农业节水灌溉系统，由无线传感器节点、网关、管理中心和灌溉设备组成，其特征在于，其中无线传感器节点由中央处理器，存储器，支持802.15.4协议无线通信模块和传感板组成，并采用干电池供电，其中网关包括中央处理器和存储器，网关通过其内部的网络接入模块接入网络，并采用太阳能电池供电，网关与传感器节点通过无线通信的方式进行连接，其中网关中的协议栈转化模块能够实现无线传感器网络能够接入无线局域网。
2、 一种基于无线传感器网络的农业节水灌溉方法，首先将网关 与网络连接，把网关通过无线方式接入Internet或者无线局域网，也 可通过有线的方式布置网线使其接入网络；将接入网络的网关均匀放 置在农作物种植区内，使网关控制的灌溉设备的灌溉范围覆盖所有的 种植区域，配置网关的网络设置,再给每个网关进行编号，同时记录 下网关的位置信息；然后将无线传感器节点随机撒放到农作物种植区 域内，保证每个传感器节点至少在一个网关的射频通信范围内，最后 通过上述无线传感器网络对灌溉设备进行控制，其特征在于，控制方 法包括以下步骤步骤l，传感器节点通过传感板釆集附近的湿度，水分数据以及 记录下接收到的网关的发射功率强度，传感器节点间通过自组织成无 线多跳网络，把数据传送到最近的一个网关；步骤2，网关根据传感器节点送来的数据，计算出该传感器器节 点相对于该网关的位置，将此位置信息，网关编号连同采集的数据信 息通过网络发给管理中心；步骤3，管理中心对数据进行处理，分析，当所得数据低于设定 的阈值的时候，誉理中心将茈数据包的位置信息反馈给对应编号的网 关；步骤4，网关根据反馈回来的数据包，以确定需要灌溉的区域位 置，通过调节灌溉设备对该区域进行合理灌溉。
全文摘要
本发明公开了一种基于无线传感器网络的农业节水灌溉系统，由无线传感器节点、网关、管理中心和灌溉设备组成，还公开了一种基于无线传感器网络的农业节水灌溉方法，利用无线传感器节点和网关，实时监测种植物的水分状况，通过管理中心的计算机对监测数据的处理，根据不同的种植物的特点，安排出合理有效的节水灌溉方案，同时由于这套设备可扩展性，可以与其他信息化设备综合利用，能够给农业生产提供化信息化，多元化的实惠的服务。
文档编号H04L12/28GK101155090SQ200610032350
公开日2008年4月2日 申请日期2006年9月29日 优先权日2006年9月29日
发明者彬 付, 文建国, 曾凡仔, 李仁发, 李瑞芳, 娟 罗, 魏叶华 申请人:湖南大学