基于无线传感器网络的橘园种植信息监测系统

PAGE21PAGE1作品全称基于无线传感器网络的橘园种植信息监测系统作品分类（B）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等）E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标设计及其目的：本设计为一个基于无线传感器网络的橘园种植信息监测系统，克服了现有橘园环境监测系统和方法存在的监测困难、监测范围有限的问题，提供一种设计合理、成本低、布网方便并且使用简单、智能化程度高的适合于橘园大范围实时监测的方法，适用于山地、平地和温室柑橘园，有利于实现柑橘园管理的规范化和模式化。基本思路：包括由布设在被测橘园内的多个无线传感器节点（农情信息监测仪和虫害监测仪）、将所述的多个无线传感器节点监测的数据打包后上传的网关节点、与网关节点相接的远程数据库服务器和与服务器相接的客户端计算机。所述的网关为一个或多个；所述的多个无线传感器节点包括传感器和配套模块，由太阳能充电电池进行直接供电；所述的传感器包括部署在橘园土壤中各颗柑橘树中不同深度的对土壤含水量、土壤电导率、土壤温度进行监测的普通传感器节点和分别布设在橘园中心区域的对空气温度、空气湿度、光照强度、风向、风速和降雨量进行监测的普通传感器；所述的传感器都配有防辐射罩，防辐射罩用于温湿度传感器室外防辐射，也可用于其他仪器仪表的保护；所述的配套模块包括数据处理模块、无线通信模块和电源模块；所述的普通传感器节点与网关节点之间的通信通过短距离无线通信模块进行双向通信；所述网关节点与通信服务器之间的通信通过GPRS网络进行双向通信，并且网关节点上设置有GPRS无线通信模块。所述的短距离无线通信模块为基于ZigBee协议的短距离无线通信模块。创新点：采用多个、多种传感器构成无线传感器网络，由散布在工作区域中大量的体积小，成本低，具有无线通信、传感和数据处理能力的传感器节点组成的，每个节点可能具有不同的感知形态，例如声纳、震动波、红外线等，节点却可以完成对目标信息的采集、传输、决策制定与实施，实现区域监控、目标跟踪、定位和预测等任务。农情信息监测仪中的数据处理模块采用微控制器AVRmega128L，每一个节点都具有存储、处理、传输数据的能力。通过无线网络，传感器节点之间可以相互交换信息，也可以把信息传送到远程。节点白天由太阳能充电电池进行直接供电，同时对锂电池进行充电；晚上由锂电池进行直接供电。技术关键：每一个节点在接收传感器的不同信息后，进行存储、处理、传输数据，同时通过无线网络，进行传感器节点之间信息的相互交换，并把信息传送到远程。主要技术指标：1) 土壤温度传感器选用美国DECAGON公司的5TE，主要性能指标为：测量范围-40～50°C；分辨率0.1°C；精确度±1°C；电源3.6～15VDC,O.3mA。2) 土壤电导率传感器选用美国DECAGON公司的5TE，主要性能指标为：测量范围0～23dS/m；分辨率0.01dS/m（0～7dS/m），0.05dS/m（7～23dS/m）；精确度±10%（0～7dS/m）；电源3.6～15VDC,O.3mA。3) 土壤含水量传感器选用美国DECAGON公司的EC-5，主要性能指标为：测量范围0～饱和；精确度≥0.03m3/m3(在8dS/m范围内)；分辨率0.001m3/m3（矿物质土）；电源2.5VDC～3.6VDC,10mA；温度-40～60°C。4) 空气温度、湿度传感器选用瑞士Sensirion公司的SHT-15，主要性能指标为：温度测量范围-40～+123.8℃，精度±0.3℃；湿度测量范围0～100%RH，精度±2.0%RH,响应时间8s(tau63%)。5) 光照传感器选用中国锦州阳光科技发展有限公司的TBQ-6光照度传感器，主要性能指标为：测量范围200～200000Lux；光谱范围400—700（nm）可见光；电源电压24VDC（12VDC～30VDC）；输出信号4～20mA或0～5V；测量误差小于±7%；工作环境温湿度0～40℃、0～70%RH；储存环境温湿度-10～+50℃，0～80%RH；大气压力80～110KPa。6）风速传感器选用中国邯郸市大自然测控技术有限公司的BCQ-FS-TTL8，主要性能指标为：测量范围0～60m/s，测量精度±2%；输出信号为脉冲信号（每圈输出8个脉冲，6个脉冲代表1米，信号传输距离>100米；启动风力<0.2m/s，风碗直径50mm，供电电源DC5V～24V，工作温度：-40～+85℃。7）十六方位风向传感器选用邯郸市大自然测控技术有限公司BCQ-FX-K16，主要性能指标为：测量范围16个方向（360度），测量精度±2%，输出信号开关信号，信号传输距离>100米，电位引线9芯（公共、北、东北、东、东南、南、西南、西、西北），供电电源DC5V～24V，工作温度-40～+85℃。8）降雨量传感器选用邯郸市大自然测控技术有限公司的MTR-02雨量计，主要性能指标为：分辨率0.2mm，测量范围0～2.4mm/min,工作环境温度0～60℃，工作环境湿度<95%RH(40℃),乘水口直径159.6mm，刃口锐角40～45℃，高度260mm。9）无线传感器网络中的节点数据处理模块采用微控制器AVRmega128L，其主要性能指标为：4kRAM，128kFlash，正常工作电压2.7～5.5V。该微控制器主要负责控制传感器数据采集、无线通信、液晶实时显示和电池能量监测等。10）无线通信模块的核心为RF230，支持ZigBee协议，主要性能指标为：工作频段2.4GHz，电流TX16.4mA，RX15.5mA，睡眠电流20nA，工作电压1.8～3.6V。11）电源供电模块由可充电锂电池（容量1250mAh）、锂电池保护芯片（R5426）、锂电池充电电路、电源处理电路及外围接口电路组成。太阳能供电板（5.6V,1.5W）作为外部电源为锂电池充电或为节点直接供电。12）网关在基于SAMSUNG公司S3C2410A的ARM上开发，实现与节点间的短距离无线通信及与远程数据库间的Internet通信。13）GPRS模块使用中国北京源田意广科技有限公司的LT108GSGPRSDTU，具体参数有内部集成TCP/IP协议栈，提供串口数据透明双向转换功能，支持自动心跳，保持永久在线等。GPRS模块为网关与远程数据库间的双向收发通信实现提供了可能性。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）设计合理、成本低、布网方便并且操作简单和智能化程度高；采用模块化设计并且使用系统使用低功耗芯片和太阳能充电电池直接供电，保障了节点的长时间运行和生命周期；自组网可以实现同步对被监测的橘园内不同的土壤和大气环境信息参数的监测；通过无线传感器网络能够时间感知、采样和存储数据，为研究人员提供在线的实时的数据挖掘与分析；监测效果好、智能化程度高，能为农户提供大量的有用柑橘园的监测数据并附带预警作用，能更好地知道柑橘园的管理和生产；6、由于采用无线通信技术，本系统可以实现对监测区域的全覆盖监测，适用于山地、平地和温室柑橘园，实现柑橘园管理的规范化和模式化，促进柑橘产业的发展；7、多组、多种传感器共同监测，可以反馈橘园生长所需的各项信息参数；8、无线传感器网络中的农情信息监测仪数据处理模块采用微控制器AVRmega128L，负责控制传感器数据采集、无线通信、液晶实时显示和电池能量监测等；9、传感器都配有防辐射罩，防辐射罩用于温湿度传感器室外防辐射，也可用于其他仪器仪表的保护，保证数据的准确测量。参考文献：张宏宇，王永模，蔡万伦等.2009.我国主要柑橘害虫发生为害现状[J].湖北植保.52-53.RichardW.Mankin,ErikPeterssonetal.HeathandJohnSivinski.2000.ExposuretomalepheromonesenhancesAnastrephasuspensa(Diptera:Tephritidae)femaleresponsetomalecallingsong[J].FloridaEntomol.84(4):411-421.MizrachA,HetzroniA,MozorMetal.AcousticTrapforFemaleMediterraneanFruitFlies[J].TransactionsoftheASABE.2005,48(5):2017-2022.敖义俊.2009.夏季柑橘园主要病虫害预防及防治技术措施[J].绿色植保.(6):34.陈雄，杜以书，唐国新.无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].系统仿真技术，2005，1（2）：67～73.周静，崔键，梁家妮.土壤水分对柑橘叶片生长及多胺代谢的影响[J].土壤，2009,41(5):796-800.温明霞，聂振朋，林媚等.土壤、叶片中营养成分与柑橘品质的相关性研究[J].栽培技术，2007,18（3）：12-14周静，崔键，胡锋.土壤水分对柑橘根和叶营养元素的影响[J].中国果树，2008,5:14-17.赵立稳，王鸿斌，张真等.2008.昆虫声音信号和应用研究进展[J].植物保护.34(4):5-12.[10]毛文华，郑永军，张银桥等.2007.基于机器视觉的草地蝗虫识别方法[J].农业工程学报.24(11):155-158.[11]马骏，王建华.2004.一种基于数学形态学的植物病虫识别方法[J].深圳大学学报（理工版）.21(1):72-75.[12]牟少敏.2003.基于数学形态学的重叠昆虫图像分离的研究[J].计算机工程与应用.(18):219-220.[13]周曼，周明泉.2008.基于BP神经网络的水稻害虫自动识别[J].北京师范大学学报（自然科学版）.44(2):34-39.[14]DingF,JonesCL,WecklerP.2008.DetectionandIdentificationofStored-grainInsectswithRF/MicrowaveandNeuralNetworkTechnology[J].TransactionsoftheASABE.52(6):2105-2114.[15]LitzkowCA,ShumanD,KrussS.1997.Electronicgrainprobeinsectcounter(EGPIC).U.S.Patent5,646,404.[16]胡大军，吴晗平，张焱.基于PLC和无线传感器网络的光电监测系统构建[J].应用光学，2010，31（2）：198-202.[17]张学民，陈西平，宋述稳.基于光电传感器的移动机器人局部定位系统[J].机电产品开发与创新，2010,23（3）：8-10.[18]卢朝阳，张耀.光电传感器在大型活动人员验证通道中的应用[J].警察技术，2010,5：51-53.[19]NingWang,NaiqianZhang,MaohuaWang.Wirelesssensorsinagricultureandfoodindustry—Recentdevelopmentandfutureperspective[A].ComputersandElectronicsinAgriculture50.2006：1–14.[20]吕立新，汪伟，卜天然.基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计[J].计算机系统应用，2009，8：5-9.[21]崔光照，靳嵩.基于无线传感器网络的农业环境监测系统[J].通信技术，2008，12(41)：287-289.[22]屈凤姣，徐建波.基于MICAz的无线传感器网络在农业温室温度监测的应用[J].福建电脑，2007，12：8-9.[23]H.RBogena,J.A.Huisman,C.Oberdorsteretal.Evaluationofalow-costsoilwatercontentsensorforwirelessnetworkapplication[A].JournalofHydrology.2007344：32–42.[24]刘航，廖桂平，杨帆.无线传感器网络在农业生产中的应用[J].农业网络信息，2008，11：16-21.[25]杜晓明,陈岩.无线传感器网络在温室农业监测中的应用[J].农机化研究，2009，6：141-144.[26]黄伟，宋良图，武民民等.面向农业的无线传感器网络应用及相关问题[J].自动化与仪器仪表，2008，6：52～55.[27]Y.Suna,L.Lia,P.SchulzeLammersetal.Asolar-poweredwirelesscellfordynamicallymonitoringsoilwatercontent.ComputersandElectronicsinAgriculture69(2009)19–23.[28]李毅治，张月琳.无线传感器网络在医药学领域的应用[J].医药沙龙，2005，29（12）:571-574.[29]李成大，张京，龚茗茗.无线传感器网络及其应用综述[J].成都电子机械高等专科学校学报，2007，3：10～14.作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果曾在2010年10月由广州市发明协会和广州华南知识产权国际交流中心组织的第二届广州高校学生知识产权创新赛中荣获发明创新类提名奖。作品所处阶段（B）A实验室阶段B中试阶段C生产阶段D（自填）技术转让方式作品可展示的形式□√实物、产品□√模型□√图纸□√磁盘□现场演示□√图片□√录像□√样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测中国是柑橘的重要原产地之一，柑橘资源丰富，优良品种繁多，有4000多年的栽培历史。柑橘更是我国南方最主要的水果之一，栽种品种多，分布范围广，2008年产量达2331.3万吨，出口达到50万吨。全国有20个省、市、自治区1000多个县种植柑橘。柑橘果树的生长发育、开花结果与温度、日照、水分(湿度)、土壤以及风、海拔、地形和坡向等环境条件紧密相关，准确获取这些农情信息对柑橘园的管理有很大的指导作用。然而，在中国大部分地方，农民只能以传统经验来判定影响柑橘发育和开发结果的因素，这大大浪费了劳动力的同时还不能保证柑橘结果的最优性。同时，我国柑橘产区主要在南方丘陵地带，气候高温多雨、温暖湿润，加之柑橘物候期长，害虫种类多、监测与防治困难，病虫害严重。据统计，我国目前柑橘害虫有2门14目106科865种。实际生产中，大多数果农对于柑橘树虫害发生状况的判断只是靠经验、凭感觉，虽然也取得了一定的效果，但是对果树的生长造成了伤害。目前柑橘害虫的防治手段主要有化学防治、物理机械防治、生物天敌防治、昆虫生长调节剂防治等，其中化学防治还是最常用的柑橘虫害防治手段。由于长期依赖化学防治，不断提高害虫