專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植物聲發(fā)射信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種植物檢測(cè)裝置，尤其是檢測(cè)作物水分脅迫聲信號(hào)的自動(dòng)測(cè)量
裝置。
背景技術(shù)：
作物的生長(zhǎng)發(fā)育，需要眾多的環(huán)境因子，當(dāng)這些環(huán)境因子變化對(duì)作物產(chǎn)生傷害效 應(yīng)時(shí)，稱之為脅迫。作物在生長(zhǎng)過程中，常遭受多種環(huán)境脅迫。研究證實(shí)，水分虧缺對(duì)作物 生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響超過所有其他脅迫的總和。因此，作物水分的管理是作物生產(chǎn)中最 為重要的措施之一。 隨著水資源的日益緊缺，世界各國(guó)水資源供求之間的矛盾越來越突出。解決這個(gè) 矛盾的根本出路是大力發(fā)展和推廣精量灌溉，它根據(jù)作物需水信息適時(shí)、適量地進(jìn)行科學(xué) 灌溉，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。為了有效地進(jìn)行精量灌溉，人們從不同方面研究作物缺水狀況 的評(píng)價(jià)方法，制定了相應(yīng)的灌溉指標(biāo)。這些指標(biāo)可以分為間接指標(biāo)(包括土壤指標(biāo)和氣象 指標(biāo))和直接指標(biāo)(作物生理指標(biāo))。研究證明，利用作物生理指標(biāo)作為作物缺水診斷及灌 溉控制指標(biāo)，更為合理。因此，對(duì)各種作物生理指標(biāo)的研究，受到越來越多的關(guān)注。其中，作 物水分脅迫聲發(fā)射技術(shù)，因其具有快速測(cè)定且不具破壞性等特點(diǎn)，日益受到眾多學(xué)者的推 崇。 對(duì)于作物水分脅迫聲發(fā)射技術(shù)的研究開始于1966年，Milburn和Johnson把蓖麻 作為研究對(duì)象，利用一個(gè)改進(jìn)的聽筒聽取了水柱斷裂時(shí)產(chǎn)生的"咔嗒"聲，但是因?yàn)樵谝纛l 范圍內(nèi)采集信號(hào)，其精度受到環(huán)境噪聲的很大影響。Tyree等對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，在超音頻范 圍內(nèi)采集聲發(fā)射信號(hào)以避免環(huán)境噪聲的干擾，使聲發(fā)射法簡(jiǎn)便可行，并研制出了以單片機(jī) 為核心的作物水分脅迫聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀器，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與記錄。此后， 國(guó)內(nèi)的研究人員也研究和開發(fā)了基于作物水分脅迫聲發(fā)射技術(shù)的溫室作物灌溉自動(dòng)控制 系統(tǒng)。 上述成果存在的明顯不足是(1)通信技術(shù)主要采用有線通信技術(shù)。雖然具有設(shè) 備互操作性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境具有長(zhǎng)期高溫、潮濕、土壤及空 氣具有較高的酸堿性等特點(diǎn)，極容易導(dǎo)致通信電纜的老化，從而降低系統(tǒng)的可靠性。(2)傳 感器采用有線方式工作。在應(yīng)用于實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)，需要密布傳感器節(jié)點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān) 測(cè)區(qū)域的有效覆蓋，這將導(dǎo)致農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)部線纜縱橫交錯(cuò)，系統(tǒng)安裝及維護(hù)成本急劇增加。 這兩個(gè)因素，極大地限制了成果在生產(chǎn)實(shí)際中的推廣應(yīng)用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種植物聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)裝
置的改進(jìn)，該裝置應(yīng)具有功耗低、可靠性強(qiáng)、安裝及維護(hù)便利等特點(diǎn)，并且成本較低。
本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植物聲發(fā)射信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)
系統(tǒng)，包括隨機(jī)部署在田間不同植株莖上的一組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括聲發(fā)射傳感器和及配套模塊；所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)或數(shù)個(gè)網(wǎng)關(guān)、基站與遠(yuǎn)程數(shù) 據(jù)庫服務(wù)器通信；數(shù)據(jù)傳送的過程是每個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)通過相鄰節(jié)點(diǎn) 接力傳送的方式傳送回網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給基站，通過基站以衛(wèi)星信道或者有 線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；其特征在于所述的每個(gè)聲發(fā)射傳感器設(shè)置在 植物莖部，以直接感知植物的聲發(fā)射信號(hào)。 所述的配套模塊包括數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊及能量供應(yīng)模塊。 所述的每個(gè)聲發(fā)射傳感器通過彈性材料系掛在植物莖部表面。 所述的彈性材料是橡皮筋。 本實(shí)用新型的工作原理是 水分運(yùn)輸?shù)膬?nèi)聚力理論闡述了水在SPAC( 土壤_植物_大氣連續(xù)體)系統(tǒng)中運(yùn)輸 時(shí)是處于一定的負(fù)壓力或張力下的。當(dāng)土壤變得干燥時(shí)，該張力就會(huì)增加；當(dāng)張力超過一 個(gè)極限值時(shí)，由于水分子間的內(nèi)聚力失效或?qū)?dǎo)管壁的附著力失效，水柱的連續(xù)體就不能 再保持下去，從而發(fā)生斷裂或抽空，這就是植物木質(zhì)部的空穴現(xiàn)象。植物木質(zhì)部出現(xiàn)空穴現(xiàn) 象的同時(shí)，張力會(huì)突然釋放而產(chǎn)生沖擊波，并伴有聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生。聲發(fā)射信號(hào)在超音頻 (100 300kHz)范圍內(nèi)，該聲發(fā)射信號(hào)被無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)1中的聲發(fā)射傳感器12檢 測(cè)到并記錄下來作為植物水分脅迫的指示指標(biāo)；傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)依次通過網(wǎng)關(guān)2及基站 3發(fā)送(以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式)給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器4，中央計(jì)算機(jī)或研究 人員根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而得出是否需要灌溉的決策。如需灌溉，則啟動(dòng)具有控制 功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)5，控制不同中小功率的直流電磁閥，實(shí)施精量灌溉。 本實(shí)用新型的有益效果是 1、能夠?qū)崟r(shí)感知、采樣和存檔數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，以及時(shí)傳 送到研究人員手中進(jìn)行在線或離線的數(shù)據(jù)挖掘和分析。 2、數(shù)據(jù)的訪問與控制便利；研究人員可以在現(xiàn)場(chǎng)通過掌上電腦(PDA)直接查詢系 統(tǒng)中的每一個(gè)傳感器、調(diào)整運(yùn)行參數(shù)以及其他調(diào)試工作。在系統(tǒng)運(yùn)行期間不需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn) 行維護(hù)和管理，遠(yuǎn)程控制站點(diǎn)能夠通過Internet或Intranet對(duì)傳感器進(jìn)行訪問和控制。 3、能夠有效覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域，且運(yùn)行成本低；由于采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因而能夠有 效覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域并保持現(xiàn)場(chǎng)井然有條；根據(jù)作物的生長(zhǎng)周期，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠依靠自身 的電池，連續(xù)運(yùn)行1個(gè)月以上，運(yùn)行成本極低。 4、能夠?qū)嵤┛刂撇僮?；具有?jiǎn)單控制功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠通過相關(guān) 的電源處理，控制不同功率的直流電磁閥(電動(dòng)水動(dòng)電磁閥、減壓閥、調(diào)壓閥、安全閥及流 量控制閥等)。使人們可以隨時(shí)、隨地、遠(yuǎn)程、精確獲取作物需水信息，并且實(shí)施精量灌溉； 以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)的定量化、規(guī)范化、模式化、集成化，促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的快速和健
康發(fā)展。

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)組成原理示意圖。 圖2是本實(shí)用新型中的聲發(fā)射傳感器在植物莖干上的安裝位置示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2所示，該基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植物聲發(fā)射信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，包括 隨機(jī)部署在田間不同植株莖上的一組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)1包括聲發(fā)射傳感器 12和配套模塊，其主要功能是(l)感知、采樣作物的聲發(fā)射信號(hào)；(2)將聲發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換 成微弱的電信號(hào)，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；這些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)或數(shù)個(gè)網(wǎng)關(guān)2、基站 3與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器4進(jìn)行通信；所述的每個(gè)聲發(fā)射傳感器設(shè)置在植物莖部，以直接感知 植物的聲發(fā)射信號(hào)。 由圖2可知所述的每個(gè)聲發(fā)射傳感器12通過彈性材料11(推薦采用橡皮筋)系 掛在植物莖干10的表面；聲發(fā)射傳感器上引出的細(xì)電纜13與置放在地面的配套模塊連接， 以減輕植物莖干所承受的壓力。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主要功能是(1)感知、采樣植株的聲發(fā)射信號(hào)；(2)將植 株的聲發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；(3)執(zhí)行組網(wǎng)、路由和初步的數(shù)據(jù) 處理任務(wù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器模塊(包括聲發(fā)射傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)和數(shù) 模轉(zhuǎn)換)、數(shù)據(jù)處理模塊(CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、無線通信模塊及能量供應(yīng)模 塊。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了兩塊電路板傳感器板與處理器板，它們之間通過插槽互連。聲發(fā)射傳感器 連接到傳感器板的相應(yīng)接口上，處理器模塊、能量供應(yīng)模塊和無線通信模塊等集成在處理 器板上。 聲發(fā)射傳感器選用富士陶瓷株式會(huì)社(Fuji Ceramics Corporation)生產(chǎn)的 AE144A型諧振式聲發(fā)射傳感器，主要性能指標(biāo)是諧振頻率140±20% kHz ;靈敏度(Ref V/m/s)63±3 ;外形尺寸4 8X17. 5H mm ;工作溫度范圍-20 +80°C ;重量4. 6gm ;功耗 50mA (工作電壓28V)。 數(shù)據(jù)處理模塊是WSN節(jié)點(diǎn)的核心部件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電池能量監(jiān)測(cè)、 系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度、執(zhí)行通信協(xié)議(包括MAC/路由協(xié)議)和節(jié)點(diǎn)調(diào)度管理等工作。設(shè)計(jì)時(shí)采 用TI MSP430F5418微控制器，它具有128KB Flash、16KB廳、12Bit ADC。之所以選擇 MSP430F5418，主要是出于以下三個(gè)方面的考慮首先，MSP430F5418采用16-Bit RISC體系 結(jié)構(gòu)使其具有較高的計(jì)算性能；其次，MSP430F5418可用開源開發(fā)軟件工具成熟且Tiny0S 操作系統(tǒng)對(duì)其支持較好；第三，MSP430F5418的功耗極低，運(yùn)行模式(Active Mode)下功耗 為165 ii A/MHz，等待模式(Standby Mode)下功耗為2. 6 y A，斷開模式(Off Mode)下功耗 為1. 6 ii A，關(guān)機(jī)模式(Shutdown Mode)下功耗為0. 1 y A。 無線通信模塊負(fù)責(zé)WSN節(jié)點(diǎn)之間以及WSN節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行通信、WSN節(jié)點(diǎn)之 間交換控制信息和收發(fā)所采集的數(shù)據(jù)。考慮到成本、能耗、啟動(dòng)時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸速率、接收 與發(fā)送功率等因素以及Tiny0S已包含CC2500驅(qū)動(dòng)支持的原因，設(shè)計(jì)時(shí)采用低成本低功率 2.4GHz RF芯片CC2500。 CC2500具有體積小(QLP4X4mm包裝，20引腳)、高靈敏度(在 2. 4kBaud時(shí)為_104dBm， 1%數(shù)據(jù)包誤碼率)、低電流消耗(接收模式下在250kBaud時(shí)電流 消耗為13. 3mA)、可編程數(shù)據(jù)傳輸率(范圍為1. 2 500kBaud)、可編程輸出功率(最高可 達(dá)+ldBm)等特點(diǎn)，啟動(dòng)時(shí)間(從睡眠模式到RX模式或TX模式)為240 ii s。 電源模塊負(fù)責(zé)提供WSN節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)所必需的能源。如上所述，如圖2所示的 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的工作電流為50mA，工作電壓為28V。因此，所設(shè)計(jì)的WSN節(jié)點(diǎn)，其電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由太陽能板供電。 本實(shí)用新型中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的所有元器件可全部外購(gòu)。
權(quán)利要求基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植物聲發(fā)射信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，包括隨機(jī)部署在田間不同植株莖上的一組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括聲發(fā)射傳感器(12)和配套模塊；所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)或數(shù)個(gè)網(wǎng)關(guān)、基站與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(4)通信；其特征在于所述的每個(gè)聲發(fā)射傳感器設(shè)置在植物莖部，以直接感知植物的聲發(fā)射信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植物聲發(fā)射信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其 特征在于該系統(tǒng)還包括一彈性材料(ll)，所述的每個(gè)聲發(fā)射傳感器(12)通過該彈性材料 (11)系掛在植物莖部表面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的植物聲發(fā)射信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其特 征在于所述的彈性材料是橡皮筋。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種植物檢測(cè)裝置。目的是提供的植物聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)裝置應(yīng)具有功耗低、可靠性強(qiáng)、安裝及維護(hù)便利等特點(diǎn)，并且成本較低。技術(shù)方案是包括隨機(jī)部署在田間不同植株莖上的一組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括聲發(fā)射傳感器和及配套模塊；所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)或數(shù)個(gè)網(wǎng)關(guān)、基站與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通信；數(shù)據(jù)傳送的過程是每個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)通過相鄰節(jié)點(diǎn)接力傳送的方式傳送回網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給基站，通過基站以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；其特征在于所述的每個(gè)聲發(fā)射傳感器設(shè)置在植物莖部，以直接感知植物的聲發(fā)射信號(hào)。
文檔編號(hào)H04L12/28GK201444638SQ20082016507
公開日2010年4月28日 申請(qǐng)日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者盧尚瓊, 張文安, 高峰 申請(qǐng)人:高