[发明专利]基于传感器网络的低能耗生态环境监控节点部署方法

说明书

技术领域

本发明涉及物联网，尤其是涉及基于传感器网络的低能耗生态环境监控节点部署方法。

背景技术

农作物生长的土地是不可增长的自然资源，如何在有限的资源基础上，借助先进的科技手段提高生产效率、经济效益与环境效益已经成为亟待解决的重大问题。目前，以信息技术与农业技术融合为特点的“农业信息化”成为解决以上问题的关键支撑技术之一，其核心是利用信息技术精确、及时地获取地块中土壤、环境作物的信息，诊断作物的长势和产量在空间上差异的原因，并对每个小区做出决策，准确地在每个小区上进行灌溉、施肥、喷药等，使得传统农业精细化生产，以达到最大限度地提高水、肥和杀虫剂的利用效率，增加产量，减少环境污染，促进土地集约利用的目的。精细农业其主要生产过程是获取作物生长的环境因素，并改变对农业不利的因素。这些因素在很大程度上决定作物的产量和质量，通常包括：作物生长环境(如空气中的温湿度、光照、风速等)和土壤环境(如酸碱性、含水量、金属离子含量)。而这些信息常具有空间和时间差异性的特点，如何连续监测这些信息成为研究重点。对农作物生长发育过程及产地综合环境信息的采集和实时监控，是实现智能化精准管理作业的基础，是农业物联网技术感知层研究的关键和核心技术领域。

对作物的连续监测的前提条件是对监测的传感器节点进行部署。而传感器节点常用的部署方法可以归纳为3类：随机部署：在应用区域内以人工、机械、空投等随机方式部署传感器节点，适用于特殊地形、灾害发生区域等复杂而无法接近的不确定应用环境。规则部署：在应用区域内按照规则几何拓扑结构放置传感器节点，适用于土壤、空气、植物等环境监测应用。计划部署：在应用区域内按照预先计划放置传感器节点，如目标跟踪应用中，在监测量频繁发生区域放置较高密度的传感器节点，以达到更好的监测效果。在环境监测应用可划分为两类，即异常事件监测和常态连续采样监测。异常事件监测：如地震预警、森林防火，传感器网络的监测目的是探测到特殊事件发生的具体时间和地点。常态连续采样监测：如水质监测、生态监测，本发明所探讨的生态环境监测也属于这一类，传感器网络的监测目的是连续采样节点处的环境参数数据，通过统计学插值方法估计非节点位置处的数据，从而分析监测量在空间和时间上的连续变化。目前很多学者提出从连通和覆盖两个方面考虑节点部署问题。连通是指保证节点采集的信息准确地传递给基站，通常基于节点通信范围；覆盖是指保证节点覆盖整个工作区域并完整准确采集目标信息，通常基于节点传感范围，通过研究节点通信范围和传感范围之间的关系，给出满足最佳连通覆盖要求的节点部署优化理论。而这主要适用于研究异常事件监测或目标跟踪。对于生态环境监测这类常态连续采样应用，异常事件监测中一些节点部署理论不完全适用，如节点传感范围、节点布置的数量，特别是节点布置的位置等方面。目前，仅有少量农田环境监测及其他常态连续采样监测的文献中提及节点放置问题，如Alberto Camilli(Alberto Camilli,Carlos Eduardo Cugnasca,Antonio M Saraiva,et al.From wirless sensors to field mapping:Anatomy of an application for precision agriculture.Computers and Electronics in Agriculture.2007,58(1):25－36)在基于传感器网络的农田信息建模仿真试验研究中采用规则栅格放置节点，在每级灌溉管理分区中放置一个监测节点,若大面积监控中，特别是地形复杂的环境中(如丘陵地形)，采用这种方法将需大量的传感器节点，从而导致监控成本大增，监控成本与所获得的收益不成正比。对于常态连续采样应用大规模种植领域的传感器网络节点部署方法，还缺乏较为系统研究。在这类应用中监测面积大、作物生长周期长、需要监测的属性多(土壤属性、环境属性、作物生长信息等)，同时监测时地势多样、天气状况复杂等情况都增加了监测节点部署的难度。为提高农作物的产量，减少病虫害，更加合理的施肥，监测节点的部署方法在农作物生态环境监测中具有重要的意义。

在传统的生态环境监测方法中，监控节点选择具有很大的主观性、随意性，缺少相关的定量数学模型，从而在实际工作中很难在保证监测效果的同时节约建设成本。生态环境监控中所花费成本主要来源于监测设备成本、在保证监控性能的前提下，用减少监控节点数量方法是减少成本的最好方法，这不仅减少了设备成本，而且还在以后的使用中降低了能源消耗。因此寻找一种节能环保的低能耗智能监测节点部署方法显得非常重要。

发明内容