专利名称：一种温室群无线传感器网络控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及农业生产技术领域，尤其是涉及一种温室群无线传感器网络控制系统 及其控制方法。
背景技术：
温室是利用人工建筑的设施，通过可以调控的技术手段实施高产且高效的现代农 业生产方式。它是一个改变植物生长的外部环境、为植物生长发育创造最佳条件，以及避免 外界四季变化和恶劣气候对其生长发育产生影响的场所。日光温室是我国改革开放后大面 积快速发展起来的设施农业，现已成为农业产业结构调整的重要内容。目前，温室环境控制 主要有基于单片机、工业控制机或可编程控制器的计算机控制系统。基于单片机的控制系 统虽然价格低廉、操作简单，但是其缺点是系统灵活性差、布线复杂、难以维护与扩展。基于 工业控制机的系统同样存在着布线复杂，难于维护的问题，而且工业控制机及相应的组态 软件都需要购买，成本较高。基于可编程控制器的系统具有较强的灵活性，可编程控制器具 有各种组态模块功能，通过先进的现场总线技术，可以实现多个设备、多个温室的网络化分 布式控制，同时还可接入互联网，以及对控制算法进行优化与生成，其缺点是投资大，农户 难以接受。

发明内容
为了克服现有技术系统布线成本高、安装不方便的不足，本发明提供一种基于无 线传感器网络的温室群控制系统，其设计合理且使用简便。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括多个无线传感器网络、一个通 信服务器、网关节点和控制计算机。温室群中的每一个温室根据需求安装多个无线传感器 节点和一个簇头节点，能够多方位地采集温室环境因子，无线传感器节点和簇头节点通过 无线通信自主形成无线传感器网络，无线传感器节点将监测数据以多跳方式发送到簇头节 点，由簇头节点将数据传输到到网关节点，通过网关节点上传至通信服务器。通信服务器与 控制计算机之间进行双向通信，控制计算机根据无线传感器网络实时所监测数据做出相应 指导方案，根据指导方案同步向无线传感器网络发送控制指令。本系统无需布线，而且成本 较低，安装维护方便。与WiFi等现有无线网络相比，具有自行组网，无需手工配置，而且支 持多跳路由，能够应用于较大的日光温室环境。所述传感器节点主要监测温室内部的大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、 二氧化碳浓度和光照强度六种环境因子。本发明还包括一个与通信服务器相接的GSM无线通信模块，将经通信服务器封装 和编码后的预警短信息或监测数据短信息发送至农户手机。本发明还提供一种上述系统的控制方法，包括以下步骤步骤一、打开布设在温室群中各温室内的所有传感器节点，并使得所有传感器节 点均处于侦听模式；
步骤二、打开网关节点，所有传感器节点进入协商阶段，网关节点以广播消息的方 式向所有传感器节点发送数据采集周期，消息广播过程中，传感器节点建立邻居表，自主形 成网络，并建立路由，同时传感器节点以簇头为单位组织成多个无线传感器网络，并同步向 网关节点发送反馈信息；步骤三、网关节点接收到所有传感器节点的反馈信息后，协商阶段结束，网关节点 通知所有传感器节点关闭并进入工作阶段；步骤四、进入工作阶段后，所有传感器节点均按照协商阶段所确定的数据采集周 期，定期醒来进行数据采集，并将所采集的相应监测数据同步发送给各自的簇头节点；簇头 收集簇内各传感器节点所采集的监测数据并对所收集的所有监测数据打包，提交至网关节 点；网关节点接收到所述所有传感器节点的监测数据后，再通知所述所有传感器节点关闭， 进入下一数据采集周期；步骤五、网关节点将所有传感器节点的监测数据发送至通信服务器，通信服务器 对数据进行解包，并存入数据库供用户或专家系统查询；步骤六、专家系统根据温室作物生长模型对存入数据库的所有监测数据进行分 析，具体根据温室具体作物在不同生长期对水份、温度、湿度和CO2浓度需要，做出是否灌 水、降温或加温、增加CO2浓度的相应指导方案，专家系统通过通信服务器向无线传感器网 络发送生产指导信息和/或预警信息。
步骤五中所述的通信服务器接收到所有传感器节点的监测数据后，将所收到的监 测数据经封装和编码处理后，通过GSM无线通信模块向农户手机发送监测数据短信息。步骤六中所述的通信服务器收到专家系统发送的预警条件管理信息并对无线传 感器网络进行相应预警设置后，当实时监测数据达到预警条件管理信息所设定的阈值时， 通信服务器将预警信息封装和编码后的预警短信息通过GSM无线通信模块发送至农户手 机。步骤六中所述的专家系统向无线传感器网络发送生产指导信息或预警条件管理 信息时，专家系统先将设定测量参数控制指令发送给通信服务器，再由通信服务器发送给 网关节点，网关节点再以广播消息的方式通知所有传感器节点，并激活所有已关闭的传感 器节点。本发明的有益效果是1、设计合理且使用操作简便，实用性强。2、能有效保证无线 传感器网络与通信服务器之间的信息高效传输，能够实现控制信息和无线传感器网络检测 数据信息的通畅流转，因而能最大限度地及时、准确获取温室内各传感器节点所监测的实 时数据，并且根据检测数据做出具体生产指导意见或预警设置后，能高速将控制指令传送 至传感器节点，从而大幅改善农作物的产量和品质。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。


图1为本发明所用温室群无线传感器网络控制系统的电路框图；图中，1-无线传感器网络；2-网关节点；3-通信服务器；4-专家系统；5-簇头； 6-普通传感器节点；7 —温室；8 — GSM无线通信模块；9-农户手机。图2为本发明所述温室群无线传感器网络控制方法的流程框图。
具体实施方式
装置实施例如图1所示，本发明所用温室群无线传感器网络控制系统包括由布设在温室群中 各温室7内的多个传感器节点组成的多个无线传感器网络1、通信服务器3、将无线传感器 网络1所监测数据打包后上传至通信服务器3的网关节点2，以及根据无线传感器网络1实 时所监测数据做出相应指导方案且必要时同步向无线传感器网络1发送生产指导信息和/ 或预警条件管理信息的专家系统4。所述无线传感器网络1由以簇头5为单位的多个传感 器节点组织而成，所述通信服务器3与专家系统4之间进行双向通信。所述簇头5即超级 节点或上层节点，是相对普通传感器节点6而言的，所述簇头5与其下属的多个普通传感器 节点6组成-无线传感器网络1，所述多个普通传感器节点6获得监测数据后，均传到簇头 5，由所述簇头5对簇内所有传感器节点所监测数据进行整体收集。本实施例中所述温室群中温室7的数量为6个。所述传感器节点包括对温室7内 部的大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度六种环境因子进 行监测的六种传感器节点。方法实施例，包括以下步骤步骤一、打开布设在温室群中各温室内的所有传感器节点，并使得所述所有传感 器节点均处于侦听模式。步骤二、打开网关节点2，所述所有传感器节点进入协商阶段，网关节点2以广播 消息的方式向所述所有传感器节点发送数据采集周期；同时在网关节点2上建立路由，将 所述所有传感器节点以簇头5为单位组织成多个无线传感器网络1，并且所述所有传感器 节点同步向网关节点2反馈各自经协商所确定的数据采集周期。步骤三、网关节点2接收到所述所有传感器节点的反馈信息后，协商阶段结束，网 关节点2通知所述所有传感器节点关闭并进入工作阶段。步骤四、进入工作阶段后，所述所有传感器节点均按照协商阶段所确定的数据采 集周期，定期醒来进行数据采集，并将所采集的相应监测数据同步发送给各自的簇头5即 上层节点；簇头5收集簇内各传感器节点所采集的监测数据并对所收集的所有监测数据进 行预处理后，提交至网关节点2 ；网关节点2接收到所述所有传感器节点的监测数据后，再 通知所述所有传感器节点关闭，进入下一数据采集周期。步骤五、网关节点2接收到所述所有传感器节点的监测数据后，发送至通信服务 器3进行解析并存入数据库供用户或专家系统4查询。农业服务中心可以随时从所述数据 库读取数据，供农业专家查看。本步骤中所述的通信服务器3接收到所述所有传感器节点的监测数据后，将所收 到的监测数据经封装和编码处理后，通过GSM无线通信模块8向农户手机9发送监测数据
短{曰息。步骤六、专家系统4对存入数据库的所有监测数据进行内部分析处理后，作出相 应指导方案，必要时专家系统4通过通信服务器3向无线传感器网络1发送生产指导信息 和/或预警条件管理信息。所述专家系统4相应做出指导方案可以相应通过通信服务器3 发送给农户。
所述专家系统4向无线传感器网络1发送生产指导信息和/或预警信息时，专家 系统4先将设定测量参数控制指令发送给通信服务器3，再由通信服务器3发送给网关节点 2，网关节点2再以广播消息的方式通知所述所有传感器节点，并激活关闭的所述所有传感 器节点。
本步骤中所述的通信服务器3收到专家系统4发送的预警条件管理信息并对无线 传感器网络1进行相应预警设置后，当对应实时监测数据达到预警条件管理信息所设定的 阈值时，通信服务器3将预警信息封装和编码后的预警短信息通过GSM无线通信模块8发 送至农户手机9。
权利要求
一种温室群无线传感器网络控制系统，包括多个无线传感器网络、一个通信服务器、网关节点和控制计算机，其特征在于温室群中的每一个温室根据需求安装多个无线传感器节点和一个簇头节点，采集温室环境因子，无线传感器节点和簇头节点通过无线通信自主形成无线传感器网络，无线传感器节点将监测数据以多跳方式发送到簇头节点，由簇头节点将数据传输到到网关节点，通过网关节点上传至通信服务器；通信服务器与控制计算机之间进行双向通信，控制计算机根据无线传感器网络实时所监测数据做出相应指导方案，根据指导方案同步向无线传感器网络发送控制指令。
2.根据权利要求1所述的温室群无线传感器网络控制系统，其特征在于所述的传感 器节点监测温室内部的大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强 度六种环境因子。
3.根据权利要求1所述的温室群无线传感器网络控制系统，其特征在于还包括一个 与通信服务器相接的GSM无线通信模块，将经通信服务器封装和编码后的预警短信息或监 测数据短信息发送至农户手机。
4.一种权利要求1所述装置的控制方法，其特征在于包括下述步骤步骤一、打开布设在温室群中各温室内的所有传感器节点，并使得所有传感器节点均 处于侦听模式；步骤二、打开网关节点，所有传感器节点进入协商阶段，网关节点以广播消息的方式向 所有传感器节点发送数据采集周期，消息广播过程中，传感器节点建立邻居表，自主形成网 络，并建立路由，同时传感器节点以簇头为单位组织成多个无线传感器网络，并同步向网关 节点发送反馈信息；步骤三、网关节点接收到所有传感器节点的反馈信息后，协商阶段结束，网关节点通知 所有传感器节点关闭并进入工作阶段；步骤四、进入工作阶段后，所有传感器节点均按照协商阶段所确定的数据采集周期，定 期醒来进行数据采集，并将所采集的相应监测数据同步发送给各自的簇头节点；簇头收集 簇内各传感器节点所采集的监测数据并对所收集的所有监测数据打包，提交至网关节点； 网关节点接收到所述所有传感器节点的监测数据后，再通知所述所有传感器节点关闭，进 入下一数据采集周期；步骤五、网关节点将所有传感器节点的监测数据发送至通信服务器，通信服务器对数 据进行解包，并存入数据库供用户或专家系统查询；步骤六、专家系统根据温室作物生长模型对存入数据库的所有监测数据进行分析，具 体根据温室具体作物在不同生长期对水份、温度、湿度和CO2浓度需要，做出是否灌水、降温 或加温、增加CO2浓度的相应指导方案，专家系统通过通信服务器向无线传感器网络发送生 产指导信息和/或预警信息。
5.根据权利要求4所述的温室群无线传感器网络控制方法，其特征在于步骤五中所 述的通信服务器接收到所有传感器节点的监测数据后，将所收到的监测数据经封装和编码 处理后，通过GSM无线通信模块向农户手机发送监测数据短信息。
6.根据权利要求4所述的温室群无线传感器网络控制方法，其特征在于步骤六中所 述的通信服务器收到专家系统发送的预警条件管理信息并对无线传感器网络进行相应预 警设置后，当实时监测数据达到预警条件管理信息所设定的阈值时，通信服务器将预警信息封装和编码后的预警短信息通过GSM无线通信模块发送至农户手机。
7.根据权利要求4所述的温室群无线传感器网络控制方法，其特征在于步骤六中所 述的专家系统向无线传感器网络发送生产指导信息或预警条件管理信息时，专家系统先将 设定测量参数控制指令发送给通信服务器，再由通信服务器发送给网关节点，网关节点再 以广播消息的方式通知所有传感器节点，并激活所有已关闭的传感器节点。
全文摘要
本发明公开了一种温室群无线传感器网络控制系统及其控制方法，每一个温室根据需求安装多个无线传感器节点和一个簇头节点，采集温室环境因子，无线传感器节点和簇头节点通过无线通信自主形成无线传感器网络，无线传感器节点将监测数据以多跳方式发送到簇头节点，由簇头节点将数据传输到到网关节点，通过网关节点上传至通信服务器；通信服务器与控制计算机之间进行双向通信，控制计算机根据无线传感器网络实时所监测数据做出相应指导方案，根据指导方案同步向无线传感器网络发送控制指令。本发明能及时准确获取温室内各传感器节点所监测的实时数据，并且根据检测数据做出具体生产指导意见或预警设置后，能高速将控制指令传送至传感器节点。
文档编号G01D21/02GK101969613SQ20101025825
公开日2011年2月9日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者李士宁, 李志刚, 蒙海军, 马峻岩 申请人:西北工业大学