[发明专利]一种基于农田水分监测的自动灌溉系统

权利要求书

1.一种基于农田水分监测的自动灌溉系统，其特征是，包括用于对农田中农作物水分状况进行监测的无线传感器网络，所述无线传感器网络包括汇聚节点和随机部署在田间各处的传感器节点，传感器节点采集所监测位置的农作物水分状况数据并发送至汇聚节点；系统还包括用于根据汇聚节点发送的农作物水分状况数据进行灌溉需求分析的数据分析装置；

传感器节点连接用于控制灌溉装置的直流电磁阀，并实时接收数据分析装置的信号；所述数据分析装置在农作物需要灌溉时向相应传感器节点发送控制信号，从而传感器节点根据控制信号控制相应的直流电磁阀，打开灌溉装置，实施精量灌溉；

在网络初始化阶段，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，其中传感器节点的邻居节点为位于其通信范围内的其他传感器节点；在路径发现阶段，传感器节点基于蚁群算法获取其至汇聚节点的最优路径；传感器节点基于蚁群算法获取其至汇聚节点的最优路径，包括：

(1)传感器节点a以设定的时间间隔发送通往汇聚节点的前向蚂蚁，并设置超时时钟；

(2)每只前向蚂蚁寻找到达汇聚节点的路径，并概率地选择每一跳传感器节点；

(3)当前向蚂蚁到达汇聚节点后，立即转化为后向蚂蚁，后向蚂蚁将沿着所述前向蚂蚁的逆路径逐跳返回至传感器节点a，并在沿途经过的链路释放信息素；当传感器节点i接收到传感器节点j发过来的后向蚂蚁时，按照下列公式更新自己与传感器节点j的链路上的信息素浓度：

式中，T(i，j)＇表示更新后的传感器节点i与传感器节点j的链路上的信息素浓度，T(i，j)为更新前的传感器节点i与传感器节点j的链路上的信息素浓度，ρ为信息素的挥发度；为转化为后向蚂蚁的前向蚂蚁到汇聚节点所经过的跳数，为后向蚂蚁从汇聚节点至当前传感器节点所经历的跳数，N为无线传感器网络中的传感器节点个数，为前向蚂蚁所访问过的传感器节点的最小能量，为前向蚂蚁所访问过的传感器节点的平均能量，E_i0为后向蚂蚁所在的当前传感器节点i的初始能量；

(4)按照(2)、(3)进行，直至后向蚂蚁到达传感器节点a；

(5)传感器节点接收在超时时钟内到达的各后向蚂蚁携带的信息，并根据该携带的信息确定对应的前向蚂蚁的路径，传感器节点比较各路径的总开销，并选择其中总开销最小的路径作为最优路径；

前向蚂蚁按照下列公式概率地选择每一跳传感器节点：

式中，表示前向蚂蚁从传感器节点i的邻居节点集合中选择邻居节点j为传感器节点i的下一跳节点的概率；为前向蚂蚁所保存的它已经访问过的所有传感器节点的集合，T(i，j)表示传感器节点i与邻居节点j的链路上的信息素浓度，T(i，k)为传感器节点i与其第k个邻居节点的链路上的信息素浓度；E_i为传感器节点i的当前剩余能量，E_j0为邻居节点j的初始能量，E_j为邻居节点j的当前剩余能量，D_i，sink为传感器节点i到汇聚节点的距离，D_j，sink为邻居节点j到汇聚节点的距离，G_ij为传感器节点i估计邻居节点j的当前故障率；E_k0为传感器节点i的第k个邻居节点的初始能量，E_k为所述第k个邻居节点的当前剩余能量，D_k，sink为所述第k个邻居节点到汇聚节点的距离，G_ik为传感器节点i估计所述第k个邻居节点的当前故障率；α、β、γ、δ为设定的权重系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于农田水分监测的自动灌溉系统，其特征是，传感器节点包括温度传感器和湿度传感器，每个传感器节点的传感器均埋入土壤中，以直接探测土壤温度及土壤湿度的微变化。

3.根据权利要求2所述的一种基于农田水分监测的自动灌溉系统，其特征是，传感器节点的传感器均埋入土壤深度的5至20厘米位置。

4.根据权利要求2所述的一种基于农田水分监测的自动灌溉系统，其特征是，传感器节点还包括数据处理模块、无线通信模块和电源模块。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于农田水分监测的自动灌溉系统，其特征是，所述数据分析装置包括数据接收模块、分析处理模块、信号发送模块，其中数据接收模块用于接收汇聚节点发送的农作物水分状况数据；分析处理模块用于根据农作物水分状况数据进行灌溉需求分析，确定需要灌溉的农作物位置，并生成控制信号，将控制信号通过信号发送模块发送至于该农作物位置对应的传感器节点。