专利名称：作物氮素无线传感器网络监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及作物氮素含量的监测，特别涉及将无线传感器网络技术与作物氮素监 测技术相结合的一种作物氮素无线传感器网络监测系统。
背景技术：
传统的作物氮素监测采用实验室做实验的方式得到氮素含量，时效性差，费用昂 贵。近年来采用的叶绿素含量测定仪可以依靠测得的SPAD值推断氮素含量，但SPAD值与 作物含氮量的关系因作物品种和生育期的不同而有差异，因此限制了该技术的实用性。反射光谱传感技术利用作物对可见光和近红外光的吸收和反射得到作物的反射 光谱，通过分析反射光谱得到作物的含氮量。传统的采用反射光谱技术进行氮素监测的仪 器是单个仪器的小面积氮素信息采集；无线传感器网络作为一种全新的信息获取与处理技 术，已经在军事、环境、健康、家庭等领域得到越来越广泛的应用。对于各种长期或短期的监 测应用，传统的有线测控系统由于布线困难、结构复杂等原因，往往难以胜任。无线传感器 网络作为有线测控系统的一个重要扩展与补充，很好地解决了这一问题。

发明内容
为克服现有技术之不足，本发明提供一种作物氮素无线传感器网络监测系统，将 反射光谱技术与无线传感器网络技术结合，将作物的含氮量监测数据通过无线传感器网络 技术组网进行作物氮素信息的实时监测，将监测数据通过USB接口传到现场的笔记本或者 通过GPRS远程传输到客户端计算机，进行数据处理从而得到作物氮素信息。运用无线传感 器网络技术进行作物氮素信息的实时监测。需要组建大型的无线传感器网络，同时要克服 环境条件变化对网络的影响，保证通信的畅通。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种作物氮素无线传感器网络监测 系统，其特征在于设置包括计算机、网关、监测节点和相应的软件组成无线传感器网络监 测系统，计算机包括现场计算机及客户端计算机，两者至少设置其一，现场计算机通过USB 接口将命令数据发送给网关、客户端计算机通过GPRS将命令数据发送给网关，网关将命令 数据解析，得到需要接收命令的监测节点并将命令发送给这些监测节点，这些监测节点接 收到命令后，利用作物对可见光和近红外光的吸收和反射得到作物的反射光谱，通过分析 反射光谱得到作物的含氮量并通过网关与各监测节点之间使用的ZigBee无线传感器网络 通信方式回传给网关，网关将这些数据重新打包上传给计算机，计算机应用软件将作物的 氮素信息处理后实时显示并保存在数据库里面，作为农作物后续处理的依据。所说网关设有电源模块、通信控制模块、数据存储模块及状态指示模块，电源模块 提供基准电压，通信控制模块含USB串口通信模块、GPRS无线通信模块和ZigBee无线通信 模块；数据存储模块将监测节点上传的数据进行存储；状态指示模块显示电源电压、通信 控制模块工作状态以及数据传输状态；监测节点布置在作物上方，设置在传感控制盒内，活动固定在机架上；传感控制盒设有机壳、传感器单元、通信控制单元、状态指示单元、电源模块；传感器单元接收太阳光和 作物叶片反射光经过光电池转换得到的电流信号；通信控制单元将传感器单元得到的电 流信号转换成电压信号经过后续系统的传送和处理得到作物氮素信息；状态指示单元通 过LED显示节工作状态；电源模块为节点正常工作提供电压；太阳光从节点盒上顶盖的三 个孔照射进光管，三个光管将太阳关进行漫射、滤光处理后传到光电池上，光电池产生光电 流，光电流通过排针流到中间的通信控制单元上进行I/V转换、电压放大、AD转换；太阳光 照到作物叶面上后反射到节点盒下顶面上的三个孔，进入三个与上面对应的光管经过滤光 处理后经过排针流到中间的通信控制板，经过I/V转换、电压放大、AD转换；控制器ZIGBEE 模块将AD后的数据进行处理得到上下六个光管的电流值，将上下相通波段的光管的电流 值比较，得到反射率值，通过无线传感器网络将反射率数据发送给网关，网关发送给上位 机，上位机将数据处理后得到作物氮素信息；所述软件系统包括客户端计算机软件、网关软件和节点软件，客户端计算机软件 用于人机交互，对数据采集周期、数据上传方式进行设置，控制整个系统进行工作；网关程 序完成命令转发，数据收集并上传给客户端计算机；节点程序完成传感器数据采集，上传、 转发其它节点的数据，节点采集程序使用周期休眠唤醒采集数据机制。本发明的优点及显著效果本发明采用无线传感器网络技术可以组建大型的氮素 监测网络进行氮素信息采集。采集面积根据布置节点数目多少可以调节，可以进行远距离 数据采集，便于使用计算机对采集到的数据远程实时进行处理分析，为对作物进行实时的 变量施肥提供了支持。无线传感器网络监测节点使用电池供电，移动方便，便于部署；采用休眠机制，周 期唤醒采集数据方式实现低功耗监测，能够长时间进行监测，对作物氮素信息能够更加有 效的监测，实用性强。



参照图13和图14，节点数据采集程序流程图，先进行初始化，接着尝试加入网络， 当加入网络成功后就使用默认的发送功率将自身的MAC地址主动发送给网关，并等待网关 命令数据，当接收到命令后就将命令数据进行解析，得到采集命令和采集周期信息，如果是 开始采集命令就进行周期性的传感器数据采集发送给网关，如果是停止采集命令就关闭AD 芯片，停止采集工作。节点程序使用动态发送功率机制。由于选用的无线模块具有发送功率调节功能， 发送功率越大发送距离越远，同时消耗的电能越多。考虑到网关一般提供的电池能量都比 较充足，节点提供的电池能量比较少的不对称情况，为适应不同的节点部署距离和环境温 湿度等条件变化对网络数据的收发的影响，网关发送数据采用最大发送功率，节点发送数 据采用功率动态调节机制根据实验的到在节点与网关之间通信的最小链路质量值，设置 一个可以稳定传输数据的范围，当网关从节点上传的数据包中提取出的链路质量值小于这 个范围时就以最大发送调大发送功率命令给节点，节点收到后就调大发送功率进行后面数 据的上传；当链路质量值大于这个范围时候就给节点发送调小发送功率命令，节点下次发 送数据时就以更小的发送功率上传，这样可以减少一部分能耗。用这种机制能弥补由于环 境温湿度等对通信的影响，保证数据上传的稳定可靠，同时也尽量减少功耗。本发明的软件系统由客户端计算机软件、网关软件和节点软件组成。客户端计算 机软件是人机交互的主要工具，操作人员可以进行监测小区、数据采集周期、数据上传方式 进行设置，控制整个系统进行工作；网关程序完成命令转发，数据收集并上传给客户端计算 机等工作；节点程序完成传感器数据采集，上传或者转发其它节点的数据等功能。节点采集 程序使用周期休眠唤醒采集数据机制，能够降低功耗，延长网络寿命，延长监测时间。工作原理及工作过程本发明选用ZigBee无线收发模块JN5139和GPRS模块M22。若干个监测节点与 网关组成一个无线传感器网络，监测节点将反应作物氮素信息的电压值采集后通经过单跳 或者多跳方的式传给网关，网关将收到的数据打包通过USB接口传给现场计算机或者通过 GPRS传给远程的客户端计算机，计算机将数据进行处理后得到作物氮素信息，并将氮素信 息实时显示和保存在数据库里面，以便于后续再处理。氮素监测的原理是依据反射光谱传感技术，利用作物对可见光和近红外光的吸收 和反射得到作物的反射光谱，通过分析反射光谱得到作物的含氮量。参照图6、图7、图8、图 9，本发明采用光电池作为光电转换器件，选用546nm、710nm、810nm三个特征波长的滤光片 作为太阳光的入射通道，同时在下面有546nm、710nm、810nm对应的反射通道用来接收作物 叶片反射太阳光的光谱。太阳光从节点盒上顶盖的三个孔照射进光管，三个光管将太阳关 进行漫射、滤光处理后传到光电池上，光电池产生光电流，光电流通过排针流到中间的通信 控制单元上进行I/V转换、电压放大、AD转换；太阳光照到作物叶面上后反射到节点盒下顶 面上的三个孔，进入三个与上面对应的光管经过滤光处理后经过排针流到中间的通信控制 板，经过I/V转换、电压放大、AD转换；控制器ZIGBEE模块JN5139将AD后的数据进行处理 得到上下六个光管的电流值，将上下相通波段的光管的电流值做比得到反射率值，模块通 过无线传感器网络将反射率数据发送给网关，网关发送给上位机，上位机将数据处理后就 可以得到作物氮素信息。系统工作步骤
步骤1，安装网关和监测节点，并将网关和监测节点按照采集要求布置到田间。由 于JN5139室外无阻挡条件下的通信距离最大为1公里，根据监测面积布置节点数量和位置 保证稳定通信和最大监测面积。根据作物生长高度，调节节点盒的安装高度，并保证节点盒 的安装与地面保持水平；步骤2，根据监测具体要求，选择远程监测或者现场监测，打开计算机服务器程序 界面，点击开始监听按钮开始监听用户进入；步骤3，开启网关，等待JN5139模块建立网络成功以及GPRS模块启动成功的状态 指示灯闪烁；步骤4，启动10个监测节点，观察节点加入网络指示灯闪烁；步骤5，等待网关加入服务器状态提示，当网关加入服务器，ZigBee局域网组建成 功后设置串口参数、选择采集节点、设置采集周期和采集模式，并点击开始采集按钮开始氮 素信息的周期数据采集、显示和自动保存。步骤6，将得到的反映氮素信息的反射率数据进行处理，使用经验回归方程计算得 到氮素含量。
权利要求
一种作物氮素无线传感器网络监测系统，其特征在于设置包括计算机、网关、监测节点和相应的软件组成无线传感器网络监测系统，计算机包括现场计算机及客户端计算机，两者至少设置其一，现场计算机通过USB接口将命令数据发送给网关、客户端计算机通过GPRS将命令数据发送给网关，网关将命令数据解析，得到需要接收命令的监测节点并将命令发送给这些监测节点，这些监测节点接收到命令后，利用作物对可见光和近红外光的吸收和反射得到作物的反射光谱，通过分析反射光谱得到作物的含氮量并通过网关与各监测节点之间使用的ZigBee无线传感器网络通信方式回传给网关，网关将这些数据重新打包上传给计算机，计算机应用软件将作物的氮素信息处理后实时显示并保存在数据库里面，作为农作物后续处理的依据。
2.根据权利要求1所述作物氮素无线传感器网络监测系统，其特征在于网关设有电源模块、通信控制模块、数据存储模块及状态指示模块，电源模块提供基准 电压，通信控制模块含USB串口通信模块、GPRS无线通信模块和ZigBee无线通信模块；数 据存储模块将监测节点上传的数据进行存储；状态指示模块显示电源电压、通信控制模块 工作状态以及数据传输状态；监测节点布置在作物上方，设置在传感控制盒内，活动固定在机架上；传感控制盒设有 机壳、传感器单元、通信控制单元、状态指示单元、电源模块；传感器单元接收太阳光和作物 叶片反射光经过光电池转换得到的电流信号；通信控制单元将传感器单元得到的电流信号 转换成电压信号经过后续系统的传送和处理得到作物氮素信息；状态指示单元通过LED显 示节工作状态；电源模块为节点正常工作提供电压；太阳光从节点盒上顶盖的三个孔照射 进光管，三个光管将太阳关进行漫射、滤光处理后传到光电池上，光电池产生光电流，光电 流通过排针流到中间的通信控制单元上进行I/V转换、电压放大、AD转换；太阳光照到作物 叶面上后反射到节点盒下顶面上的三个孔，进入三个与上面对应的光管经过滤光处理后经 过排针流到中间的通信控制板，经过I/V转换、电压放大、AD转换；控制器ZIGBEE模块将AD 后的数据进行处理得到上下六个光管的电流值，将上下相同波段的光管的电流值比较，得 到反射率值，通过无线传感器网络将反射率数据发送给网关，网关发送给上位机，上位机将 数据处理后得到作物氮素信息；所述软件系统包括客户端计算机软件、网关软件和节点软件，客户端计算机软件用于 人机交互，对数据采集周期、数据上传方式进行设置，控制整个系统进行工作；网关程序完 成命令转发，数据收集并上传给客户端计算机；节点程序完成传感器数据采集，上传、转发 其它节点的数据，节点采集程序使用周期休眠唤醒采集数据机制。
全文摘要
本发明公开了一种作物氮素监测无线传感器网络系统，由客户端计算机、现场计算机、网关和若干个监测节点构成。现场计算机通过USB接口或者客户端计算机通过GPRS将控制命令发送给网关；网关将控制命令解析得到客户端计算机和网关之间的通信方式，并且将控制命令发送给监测节点；监测节点在控制命令下进行作物氮素信息和电池电压信息的周期采集并上传给网关；网关将数据通过前面得到的传输方式上传给客户端计算机；客户端计算机将数据进行处理得到作物的氮素信息。该系统将无线传感器网络技术与作物氮素监测技术相结合，借助无线传感器网络技术的优势实现作物氮素信息的采集与便利传输，为实现精细农业提供了有力保障。
文档编号G01N21/31GK101975755SQ201010501019
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月9日 优先权日2010年10月9日
发明者倪军, 宋光明, 宋爱国, 张军, 徐志刚, 朱艳 申请人:东南大学