專利名稱：基于無線傳感器網絡的茶園微域監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及無線傳感器技術，尤其是涉及基于無線傳感器網絡的茶園 微域監(jiān)控系統(tǒng)。
技術背景我國是世界上茶園種植面積最大的國家，茶葉產量列世界第一位。同時，茶葉是我國重要的經濟作物，2003年全國有20個省、市、自治區(qū)生產茶葉，涉 茶人員約8000萬人，茶葉農業(yè)產值130多億元，茶葉及其相關產業(yè)產值超400 億元，占國民經濟總GDP約0.4%。茶業(yè)是高效農業(yè)，發(fā)展茶業(yè)是響應中央1 號文件，對促進我國農業(yè)經濟結構調整，增加農民收入，促進農村發(fā)展，促進 中西部地區(qū)農民脫貧致富有重要意義。同時，茶葉也代表了中國文化。龍井， 毛峰等著名茶葉品牌，在國際上也有深厚的影響力。但是茶葉極易受到凍害、蟲害等自然條件影響。單浙江省2005年至2006 年就因為遭遇冰雪天氣，全省損失超過10億元。而茶園的微域氣候條件監(jiān)控純粹靠人力是不可能達到的。目前，還沒有一 套成熟的系統(tǒng)能監(jiān)測茶園的生長環(huán)境。 發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供基于無線傳感器網絡的茶園微域監(jiān)控系統(tǒng)。本實用新型解決其技術問題采用的技術方案是該系統(tǒng)包括多個傳感器節(jié)點，傳感器板，以及服務器軟件和客戶端軟件， 傳感器板和傳感器節(jié)點插接在一起，構成一個監(jiān)測點，傳感器節(jié)點之間通過無 線信道連接成網絡，最后數(shù)據傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過網關和服務器相連接，對數(shù)據進行顯示，保存和評估，遠程客戶通過internet和客戶端軟件訪問服務器。所述的傳感器節(jié)點包括射頻板和主板，射頻板中的CC2420無線通信芯片通 過阻抗匹配電路和天線相連接；主板中的Atmegal28L微處理器芯片分別與外部 flash存儲器、LED燈、51腳1/0接插件、JTAG接口和經電平轉換芯片與串口 連接，射頻板通過12腳接插件與主板連接，電源給主板供電。所述的軟件系統(tǒng)主要分為服務器端主程序和遠程客戶端主程序，其中 l)服務器端主程序包括7個部分串口交互部分是最底層的串口功能部分，采用Java編寫；串口讀取操作部分完成Java與MATLAB的協(xié)作，控制串口讀 寫過程；數(shù)據包顯示部分對讀入的原始數(shù)據進行解析，將有用數(shù)據部分顯示出 來，同時將讀取過程的相關信息顯示出來；繪制數(shù)據曲線及拓撲結構圖部分完 成光強、溫度和聲強數(shù)據的曲線繪制，以及網絡拓撲結構圖的繪制；數(shù)據保存 和打開己保存的數(shù)據部分分別實現(xiàn)數(shù)據存?。粩?shù)據包網絡發(fā)布部分是在當用戶 啟動服務器功能后，將初步解析過的數(shù)據包采用組播技術發(fā)布到Internet上去；2)遠程客戶端主程序包括3個部分數(shù)據包網絡接收部分監(jiān)聽從服務器端發(fā) 送過的數(shù)據包，傳到本地計算機上進行后續(xù)處理；數(shù)據包顯示部分以及繪制數(shù) 據曲線部分與服務器端相應部分的功能相同，但實現(xiàn)方法不同，前者是在 MATLAB中進行，后者是在Java中進行的?；跓o線傳感器網絡的茶園微域監(jiān)控的步驟如下1) 完成節(jié)點的制作，并通過avr仿真器下載Surge—Reliable協(xié)議程序；2) 將這些節(jié)點插上傳感器板，構成一個監(jiān)測點，打開電源，使其處于工作狀 態(tài)，然后布置在茶園中；3) 選擇其中一個節(jié)點為匯聚節(jié)點，它與網關直接相連，網關通過串口和服務 器相連接；4) 在服務器上啟動Matlab，在命令窗口中輸入MatTOS即可運行服務器端程序；5) 遠程客戶打開客戶端軟件，在連接窗口中輸入服務器的IP地址和服務器 廣播數(shù)據的端口號，連接成功后可開始訪問服務器數(shù)據；6) 選擇服務器軟件界面和客戶端軟件界面的工具按鈕，完成原始數(shù)據讀取， 數(shù)據曲線和拓撲圖繪制，數(shù)據保存。所述的每個節(jié)點都有各自ID號，將這個ID號和節(jié)點放置位置對應，通過觀察拓撲圖迅速找出異常事件發(fā)生地點。由于無線通信范圍有限，所述的節(jié)點產生的數(shù)據包并非直接到達匯聚節(jié)點， 而是以多跳的方式在節(jié)點之間由遠及近傳輸，并最終為匯聚節(jié)點接收，路由過 程采用Surge—Reliable協(xié)議，它是一種自發(fā)式的尋優(yōu)過程，各節(jié)點通過分析歷史 數(shù)據，從鄰居中選出通信可靠并且總體代價較小的節(jié)點作為父節(jié)點，向它發(fā)送 數(shù)據。所述的監(jiān)測點能實時監(jiān)測茶園中溫度，濕度，光照數(shù)據。同時能監(jiān)測各節(jié)點的電量。本實用新型具有的有益效果是基于無線傳感器網絡的茶園微域氣候智能監(jiān)測系統(tǒng)的搭建，能為茶園管理 者提供實時的環(huán)境狀況，幫助了解整個茶園土壤濕度、蟲害情況、生長狀態(tài)的 參數(shù)分布，對緊急情況做出預警處理，大大降低了茶園管理的人力開銷。從長 期來講，此系統(tǒng)能幫助科研人員建立氣候因素和茶葉品質與產量的關系模型， 從而幫助種植者改進種植方法，提高茶葉的品質和產量，并減少殺蟲劑的使用 量。在本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點將配備特制的外殼包裝，不釋放有害物質，方便回收，對環(huán)境影響非常小。節(jié)點的數(shù)據處理模塊采用Atmegal28L，數(shù)據處理能力 強，能耗低。節(jié)點之間的數(shù)據通信基于ZigBee,保證了數(shù)據通信的可靠和高效。 上層軟件主要采用MATLAB代碼編寫，將MATLAB在數(shù)據分析處理方面的優(yōu) 越性能應用到無線傳感器網絡的數(shù)據處理中，以提高網絡的處理能力和工作效 率，適應對大規(guī)模數(shù)據的處理和先進數(shù)學方法的使用。與其他編程語言相比， MATLAB功能齊全，并且在諸如信號處理、數(shù)學計算、統(tǒng)計分析等方面具有突 出優(yōu)勢。總之，必須通過建立茶園微域氣候智能監(jiān)測系統(tǒng)，獲得微尺度的環(huán)境 參數(shù)，深入研究各種關鍵氣候因素對茶葉生長的影響，建立氣候因素和茶葉品 質與產量的關系模型，進行茶葉產量、品質的預報和凍害、蟲害的預警，提高 茶園單產效益。

圖1是本實用新型的整體結構框圖。圖2是本實用新型的傳感器節(jié)點結構圖。圖3是服務器端軟件的結構圖。圖4是遠程客戶端軟件的結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示，描述了本實用新型的整體的結構組成。在無線傳感器網絡區(qū) 域中，每個傳感器節(jié)點和傳感器板相連接，構成一個監(jiān)測點。傳感器板把監(jiān)測 到的數(shù)據傳送給傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點經過處理后，以無線形式把數(shù)據發(fā)送 出去。節(jié)點和它的鄰居節(jié)點通過無線射頻連接起來組成網絡。節(jié)點產生的數(shù)據 最終都傳送給匯聚節(jié)點。由于無線通信范圍有限，節(jié)點產生的數(shù)據包并非直接 到達匯聚節(jié)點，而是以多跳的方式在節(jié)點之間由遠及近傳輸，并最終為匯聚節(jié) 點接收。路由過程采用Surge—Reliable協(xié)議，它是一種自發(fā)式的尋優(yōu)過程，各節(jié) 點通過分析歷史數(shù)據，從鄰居中選出通信可靠并且總體代價較小的節(jié)點作為父 節(jié)點，向他發(fā)送數(shù)據。其特點表現(xiàn)在自組織、優(yōu)化處理和具有可靠性機制等方面。網絡的匯聚節(jié)點也是普通的傳感器節(jié)點，它與網關(gateway)直接相連。 網關通過串口和服務器相連接，負責把網絡中監(jiān)測到的數(shù)據上傳到服務器。月艮 務器端的監(jiān)控軟件會將這些數(shù)據經過統(tǒng)計方法處理后顯示，同時也能通過圖表 形式的顯示。系統(tǒng)能保存歷史數(shù)據，方便茶葉科研人員建立歷史數(shù)據庫。系統(tǒng) 還能繪制節(jié)點連接的拓撲結構，觀察監(jiān)測環(huán)境中的節(jié)點工作情況?？蛻舳送ㄟ^ Internet訪問服務器，獲得原始數(shù)據和數(shù)據曲線。如圖2所示，是無線傳感器節(jié)點的整體結構圖。節(jié)點分為主板和射頻板。 主板主要是數(shù)據的處理以及和上位機、傳感器板的數(shù)據傳輸。射頻板用來無線 發(fā)送和接收數(shù)據，和網絡中其它節(jié)點進行通信，組成網絡。主板的主芯片是 Atmegal28L，它接收傳感器板發(fā)送過來的數(shù)據，經過模數(shù)轉換和進一步處理后 發(fā)送到無線射頻模塊。射頻板的主芯片是CC2420，它將數(shù)據進行變換，擴頻， 調制后，以2.4G的頻率發(fā)送出去。電源部分為兩節(jié)干電池，為主板和射頻板提 供電源。傳感器板上主要有一個51腳的接插件， 一個電源控制芯片和各種傳感器。 節(jié)點通過接插件和傳感器板相連接。通過控制電源控制來控制各種傳感器的電 源供應。傳感器將監(jiān)測到的溫度，濕度，光照數(shù)據，以電壓的形式，通過接插 件傳送到數(shù)據處理主芯片的模數(shù)轉換管腳。如圖3所示，是服務器端軟件結構。串口交互部分是最底層的串口功能部 分，采用Java編寫；串口讀取操作部分完成Java與MATLAB的協(xié)作，控制串 口讀寫過程；數(shù)據包顯示部分對讀入的原始數(shù)據進行解析，將有用數(shù)據部分顯 示出來，同時將讀取過程的相關信息顯示出來；繪制數(shù)據曲線及拓撲結構圖部 分完成光強、溫度和聲強數(shù)據的曲線繪制，以及網絡拓撲結構圖的繪制；數(shù)據 保存和打開已保存的數(shù)據部分分別實現(xiàn)數(shù)據存取；數(shù)據包網絡發(fā)布部分是在當 用戶啟動服務器功能后，將初步解析過的數(shù)據包采用組播技術發(fā)布到Internet上 去。先由用戶定義串口連接屬性，然后構造serialObject，調用connect函數(shù)。成功連接后，顯示連接成功的信息，同時等待用戶接受命令。得到接受命令后， 調用receive函數(shù)，開始接收數(shù)據。當串口有數(shù)據發(fā)上來后，調用MatTOS，解 析收到的數(shù)據包，抽取有用信息后存放到動態(tài)存儲區(qū)。然后調用UserFcn.m函數(shù)， 這樣數(shù)字濾波等高級數(shù)據處理方法可以直接應用到無線傳感器網絡數(shù)據處理 中，并且能夠實現(xiàn)動態(tài)處理功能，并判別數(shù)據包是否出錯。如果收到了錯誤信 息，那么數(shù)據顯示表中會顯示"badpacket",并在反饋信息框中顯示數(shù)據包錯誤信息。如果數(shù)據包沒有出錯，那么就將接收到的數(shù)據轉換為十進制或者16進制， 在數(shù)據區(qū)顯示數(shù)據包的原始信息，同時在反饋信息框中顯示數(shù)據包源的節(jié)點號。 接下來是數(shù)據的分析和曲線圖的繪制。如果接受到的是錯誤數(shù)據包，那么數(shù)據 曲線上該段留空。連續(xù)顯示時，該段曲線介于上次收到的正常數(shù)據和下次收到 的正常數(shù)據之間。如果收到的數(shù)據包沒有出錯，就將數(shù)據轉換為十進制，然后 繪出上一時刻到該時刻的各種被測參數(shù)的曲線段。同時觀察該數(shù)據包源的節(jié)點 號，如果該節(jié)點沒有出現(xiàn)在當前的拓撲圖中，就將該點補充到拓撲圖中，并保 存當前的拓撲信息，供以后査看。如圖4所示，是遠程客戶端端軟件結構。遠程客戶端主程序包括3個部分: 數(shù)據包網絡接收部分監(jiān)聽從服務器端發(fā)送過的數(shù)據包，傳到本地計算機上進行 后續(xù)處理；數(shù)據包顯示部分以及繪制數(shù)據曲線部分與服務器端相應部分的功能 相同，但實現(xiàn)方法不同，前者是在MATLAB中進行，后者是在Java中進行的。 首先用戶正確輸入服務器地址和端口，用戶的請求會發(fā)送到對應的服務器端， 成功連接后，會顯示成功連接信息。將接受到的雙字節(jié)數(shù)據流轉化為JAVA類， 確定數(shù)據正確后，顯示原始數(shù)據和接收時間，然后繪出上一時間段到該時間的 各種被測參數(shù)的曲線。同時可以選擇是否隱藏該段曲線。
權利要求1、一種基于無線傳感器網絡的茶園微域監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括多個傳感器節(jié)點，傳感器板，以及服務器軟件和客戶端軟件，傳感器板和傳感器節(jié)點插接在一起，構成一個監(jiān)測點，傳感器節(jié)點之間通過無線信道連接成網絡，最后數(shù)據傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過網關和服務器相連接，對數(shù)據進行顯示，保存和評估，遠程客戶通過internet和客戶端軟件訪問服務器。
2、 根據權利要求1所述的一種基于無線傳感器網絡的茶園微域監(jiān)控系統(tǒng)， 其特征在于所述的傳感器節(jié)點包括射頻板和主板，射頻板中的CC2420無線通 信芯片通過阻抗匹配電路和天線相連接；主板中的Atmegal28L微處理器芯片分 別與外部flash存儲器、LED燈、51腳1/0接插件、JTAG接口和經電平轉換芯 片與串口連接，射頻板通過12腳接插件與主板連接，電源給主板供電。
3、 根據權利要求1所述的一種基于無線傳感器網絡的茶園微域監(jiān)控系統(tǒng)， 其特征在于所述的軟件系統(tǒng)主要分為服務器端主程序和遠程客戶端主程序， 其中-l)服務器端主程序包括7個部分串口交互部分是最底層的串口功能部分， 采用Java編寫；串口讀取操作部分完成Java與MATLAB的協(xié)作，控制串口讀 寫過程；數(shù)據包顯示部分對讀入的原始數(shù)據進行解析，將有用數(shù)據部分顯示出 來，同時將讀取過程的相關信息顯示出來；繪制數(shù)據曲線及拓撲結構圖部分完 成光強、溫度和聲強數(shù)據的曲線繪制，以及網絡拓撲結構圖的繪制；數(shù)據保存 和打開已保存的數(shù)據部分分別實現(xiàn)數(shù)據存?。粩?shù)據包網絡發(fā)布部分是在當用戶 啟動服務器功能后，將初步解析過的數(shù)據包采用組播技術發(fā)布到Internet上去； 2)遠程客戶端主程序包括3個部分數(shù)據包網絡接收部分監(jiān)聽從服務器端發(fā) 送過的數(shù)據包，傳到本地計算機上進行后續(xù)處理；數(shù)據包顯示部分以及繪制數(shù) 據曲線部分與服務器端相應部分的功能相同，但實現(xiàn)方法不同，前者是在 MATLAB中進行，后者是在Java中進行的。
專利摘要本實用新型涉及一種基于無線傳感器網絡的茶園微域監(jiān)控系統(tǒng)。無線傳感器網絡節(jié)點和傳感器板連接在一起，構成一個監(jiān)測點。傳感器板將檢測到的數(shù)據傳送給節(jié)點，節(jié)點經過處理后，將數(shù)據以無線的形式發(fā)射出去。監(jiān)測區(qū)域中的節(jié)點通過無線射頻建立網絡。最后，節(jié)點將數(shù)據發(fā)送到匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點通過網關和服務器連接。服務器中的監(jiān)測軟件對數(shù)據進行分析，處理，并顯示數(shù)據和保存?？蛻舳丝梢酝ㄟ^Internet訪問服務器，并可以在客戶端查看監(jiān)測到的原始數(shù)據和數(shù)據曲線。本實用新型能監(jiān)測各種關鍵氣候因素對茶葉生長的影響，建立氣候因素和茶葉品質與產量的關系模型，進行茶葉產量、品質的預報和凍害、蟲害的預警，提高茶園單產效益。
文檔編號H04Q7/20GK201118628SQ200720184630
公開日2008年9月17日 申請日期2007年10月16日 優(yōu)先權日2007年10月16日
發(fā)明者孫優(yōu)賢, 曹向輝, 迪 繆, 陳積明 申請人:浙江大學