[发明专利]作物氮素无线传感器网络监测系统

说明书

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。