專利名稱：基于作物生長模型的設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器節(jié)點控制技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及設(shè)施農(nóng)業(yè)中傳感器節(jié)點的關(guān)鍵控制方法，以及該控制方法的具體實踐。
背景技術(shù)：
作物生長模型是作物科學(xué)中引進系統(tǒng)分析方法和應(yīng)用計算機后興起的新型研究領(lǐng)域。它將作物、環(huán)境和栽培技術(shù)作為一個整體系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)分析的原理和方法，綜合多個學(xué)科的理論和研究成果，對作物生長發(fā)育、光合生長、器官建成和產(chǎn)量形成等生理過程及其與環(huán)境和技術(shù)的關(guān)系加以理論概括和數(shù)量分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后在計算機上進行動態(tài)的定量分析和作物生長過程的模擬研究。
作物模型的建成有利于科學(xué)研究成果的綜合集成利用，同時也是作物種植管理決策現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作物管理具有重要意義，而在農(nóng)業(yè)監(jiān)測方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則具有卓越的技術(shù)優(yōu)勢。它可用于實時監(jiān)視農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境情況，比如土壤溫度、濕度、空氣二氧化碳含量等環(huán)境因素，并可以迅速的將所獲得的信息傳輸給中央控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)再根據(jù)預(yù)先設(shè)置的農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)做出恰當(dāng)?shù)沫h(huán)境控制。2002年，Intel公司利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在俄勒網(wǎng)建立了世界上第一個無線葡萄園，將傳感器節(jié)點部署在葡萄園內(nèi)的監(jiān)測點，每隔一分鐘采集一次土壤濕度、溫度等數(shù)據(jù)，以確保葡萄健康成長。北京市科委計劃項目“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”正式把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示范應(yīng)用于溫室農(nóng)作物生產(chǎn)中。Digital Sun公司開發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動灑水系統(tǒng)，傳感器感應(yīng)土壤的水分，并在設(shè)定條件下與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開、關(guān)閉，從而達到自動節(jié)水灌溉的目的。本發(fā)明根據(jù)以上論述，在綜合前人工作的基礎(chǔ)上，提出了基于作物生長模型的傳感器結(jié)點控制技術(shù)并且通過建立實驗?zāi)Ｐ?，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)達到實時監(jiān)控，實時處理的任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是對設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)各種節(jié)點(主控端節(jié)點，中繼節(jié)點，感知節(jié)點)的控制做出實際的解決方法，并且基于該方法建立實驗?zāi)Ｐ蛠頇z驗本發(fā)明的實際工作效果。本發(fā)明的基礎(chǔ)是基于農(nóng)作物生長的設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)本發(fā)明中采用的是星型拓撲結(jié)構(gòu)，如


圖1所示。圖中矩形方框表示一個大棚模型。尺寸為(lm*2m)。3個終端節(jié)點布置其中，分別攜帶溫度、濕度、光照、二氧化碳以及土壤濕度傳感器，實時的獲取環(huán)境參數(shù)，通過匯聚節(jié)點轉(zhuǎn)送到監(jiān)控中心，供管理員查看。管理員可以手動或者通過程序設(shè)定預(yù)值來控制環(huán)境。例如當(dāng)土壤濕度傳感器探測到土壤較干燥時，可以通過控制芯片發(fā)出信號來打開滴灌設(shè)備的閥門，灌溉多長時間，需要根據(jù)土壤的干燥程度和作物的生長環(huán)境來調(diào)節(jié)。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。一、系統(tǒng)主要模塊功能下面分模塊的具體說明本發(fā)明的內(nèi)容。本發(fā)明可以分為控制端節(jié)點(匯點)控制、終端節(jié)點控制和感知節(jié)點控制三個方面。①于采用星型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，所以控制端節(jié)點(匯點)在本發(fā)明中只有一個，通過串口(RS-232)與PC機連接，其主要功能有
(I)始終處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)聽到終端節(jié)點的信號時通過串口發(fā)給PC機。(2)接收到PC機的命令，并且轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點。
②終端節(jié)點本發(fā)明中有三個，可根據(jù)實際應(yīng)用的需要添加，其主要功能有
(I)接收來自控制端節(jié)點的信號，發(fā)出控制信號給感知節(jié)點，達到傳輸信號目的。(2)當(dāng)需要獲得傳感器的數(shù)據(jù)，如土壤溫濕度等信息，終端節(jié)點從感知端獲得到并且通過無線信道發(fā)送給控制端節(jié)點。(3)當(dāng)接收到控制端節(jié)點的命令時，可以打開繼電器，這樣與繼電器相連接的閥門等設(shè)備就處于導(dǎo)通狀態(tài)達到各種控制目的。終端節(jié)點操作流程圖如圖2所示。③感知端節(jié)點主要是一些傳感器，它們可以通過接口如I2C直接與終端控制節(jié)點的微控制單元(MCU)相連。當(dāng)某些環(huán)境參數(shù)超過預(yù)定值時，自動報警，并向信息感知節(jié)點發(fā)出控制信號，感知節(jié)點收到控制信號后，將命令傳送給與它連接的控制芯片。無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的主要功能就是為設(shè)施農(nóng)業(yè)信息控制提供通訊載體。通訊頻率2.4Ghz。整個網(wǎng)絡(luò)由5個無線節(jié)點(0-4)構(gòu)成。0號節(jié)點為主控節(jié)點。I號節(jié)點為匯聚節(jié)點。2、3、4、分別是3個信息感知節(jié)點。分別攜帶溫濕度、光照、二氧化碳和土壤濕度傳感器，并實時的將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到I號匯聚節(jié)點，繼而發(fā)送到0號主控節(jié)點。主控節(jié)點通過RS232串口與計算機連接。PC機軟件對接收到的數(shù)據(jù)包進行有效性檢查、存儲等一系列操作，實時顯示監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境參數(shù)。農(nóng)業(yè)信息獲取以及設(shè)備的控制主要是通過一塊集成芯片。片上系統(tǒng)主要靠MCU控制與協(xié)調(diào)。集成4種傳感器，通過命令將獲取的數(shù)據(jù)保存在MCU的存儲器中。通過RS232接口，可以將這些數(shù)據(jù)傳送給無線通訊節(jié)點，繼而通過無線信號發(fā)射到上位機。繼電器的作用主要是用來控制滴灌設(shè)備，當(dāng)控制芯片接收到打開水閥的命令時，就會通過繼電器來控制一個電磁閥的開關(guān)，達到控制灌溉的目的。數(shù)字電位器的作用主要是用來控制燈光和風(fēng)扇。由于這兩個設(shè)備不能是簡單的開關(guān)，需要根據(jù)環(huán)境適當(dāng)?shù)恼{(diào)整燈光的明暗和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。數(shù)字電位器就是可以通過命令改變其電阻大小來控制電路中電流的大小。達到控制燈光和風(fēng)扇的功能。二、系統(tǒng)硬件控制部分
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括3個方面。無線通信節(jié)點的硬件設(shè)計、控制芯片的硬件設(shè)計、模型的架構(gòu)。無線通信節(jié)點通信節(jié)點的硬件有以下幾個主要部分組成FREESCALE公司MC13213控制芯片、信號放大器、天線、串口通信模塊等。無線傳感器通信模塊圖如圖2所示。其通信節(jié)點如圖3所示，控制芯片用來控制和協(xié)調(diào)整個片上系統(tǒng)，信號放大器將控制芯片輸出的信息放大轉(zhuǎn)化通過射頻天線發(fā)射出去，串口通信模塊用來連接輻射傳感器與上位機?？刂菩酒褪且粋€簡單的51單片機系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。主要分為MCU控制芯片(51芯片)、RS232通信口(與無線通信節(jié)點相連)、傳感器、控制器件(繼電器、數(shù)字電位器)。表I是控制芯片中各種電子元器件的型號及描述。
權(quán)利要求
1.一種基于作物生長模型的設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器節(jié)點控制方法，以及該方法的具體實施。
2.硬件上主要有無線通信節(jié)點、控制感知芯片和物理模型組成。
3.軟件上主要有控制感知芯片嵌入式程序以及無線節(jié)點自組網(wǎng)程序。
4.其中無線通信節(jié)點，其中主控芯片為Freescale生產(chǎn)的MC13213，配合外圍電路(RS232電平轉(zhuǎn)換、射頻模塊)。
5.按照權(quán)利要求1所述的控制感知芯片，其特征在于主控芯片采用51系列單片機，集成溫度、濕度、光照、二氧化碳、土壤濕度傳感器，控制器件采用繼電器和數(shù)字電位器。
6.無線節(jié)點自組網(wǎng)程序，其特征在于設(shè)計了適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由路由，可以更好的適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在微型傳感器系統(tǒng)中可以很好的正常工作，提高了網(wǎng)絡(luò)性倉泛。
全文摘要
基于作物生長模型的設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器節(jié)點控制技術(shù)，是涉及設(shè)施農(nóng)業(yè)中傳感器節(jié)點的關(guān)鍵控制方法，以及該控制方法的具體操作。本發(fā)明的目的是對設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器各種節(jié)點(主控端節(jié)點，中繼節(jié)點，感知節(jié)點)的控制做出實際的解決方法。本發(fā)明主要包括三個基本模塊控制端節(jié)點(匯點)控制、終端節(jié)點控制和感知節(jié)點控制，這三種不同用途的節(jié)點操作方法的可行性好，過程簡單，在基于作物生長模型的設(shè)施農(nóng)業(yè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號A01G9/00GK103002596SQ20111028174
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者曹宏鑫, 楊余旺, 葛道闊, 黃西川, 劉巖, 陳超, 趙煒, 田磊, 劉利, 張智優(yōu), 陳煜利 申請人:江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 南京理工大學(xué)