一种基于无线传感器网络的植被结构参数测量装置制造方法及图纸

一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，它由分布在研究区的冠层上下测量节点及路由节点组成的无线传感器网络和由汇聚节点与控制终端远程服务器连接成的数据处理与节点控制系统两部分组成；测量节点通过采集一天中不同太阳高度角下冠层上下的太阳辐射来获取植被参数信息，并通过无线自组网进行数据传输与定位；汇聚节点可将各测点的数据通过串口或ＧＰＲＳ上传到控制终端，通过数据处理系统将植被结构参数计算出来；控制终端通过汇聚节点向各节点发送命令修改参数设置。本发明专利技术体积小，功耗低，部署方便，成本低廉，适用于大面积、长时间周期的植被参数测量，它在农业与生态学以及无线传感器网络技术领域里具有广泛地实用价值和应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，它与植被冠 层结构参数的数据采集有关，属于农业与生态学以及无线传感器网络

技术介绍
植被冠层结构参数是研究植被生长发育状态的一个重要指标，也是制约陆地_大 气作用过程模型的一个重要关联参数。因此，精确地获取植被结构参数是推动陆面模式建 模与模型验证的迫切需求。本专利技术中所述植被结构参数是指植被冠层叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)与 叶倾角概率密度函数。植被结构参数的获取方法有直接量测法和间接量测法，其中直接法包括破坏性测 量法和手工原位量测以及落叶法。直接测量结果精度高，可以作为间接测量方法精度比较 的比对参考。但是测量过程费时耗力并且对测量样地会造成一定破坏，难以用于大面积长 时间序列的数值获取。对植被结构参数的间接测量仪器中，是通过测量植被冠层方向间隙率，根据间隙 率与叶面积指数和叶倾角分布的关系来估计这些结构参数。这些仪器的区别在于获取间 隙率的方法不同。目前能够对植被结构参数间接测量的商业化仪器有两种类型，第一种是 通过测量冠层内透过的太阳辐射量来估算冠层透过率，如英国的SimScan和澳大利亚的 Demon.其中SimScan是通过在冠层底部部署多达64个光传感器来一次性获取对冠层结 构信息的多层次信息，而Demon则是通过驱动(手持移动或马达驱动)传感器在冠层下部 沿着一定的方向或轨道移动来达到一次获取多角度信息的目的。另外一种是利用半球成 像技术来获取视场内的植被与背景信息，通过分类的方法统计各自的像素数来计算冠层内 的方向间隙率，如美国的LAI2000和专利“透光分层疏透度测定方法及摄影装置”(专利号 01128255. X)以及“一种用于测定透光分层疏透度的装置”(专利号01250965. 5)，为了获取 植被冠层多角度图像，它们采用了宽视场角的鱼眼镜头来获取冠层结构信息。以上测量仪器的共同特点是通过在冠层底部一次测量获取多角度冠层辐射分布信息的形式来实现对冠层结构参数的测量。在长时间序列以及大空间范围内进行数据采集 的时候，由于需要在较大的实验场地上部署多个测量仪器，且需要人员到现场多次测量，因 此，以上所属仪器和方法需要耗费巨大数据采集成本，包括人力成本和仪器购置成本。专利技术专利“一种树木冠层分析仪的数据采集装置”(公开号CN101413875A)通过 在长1. 2-1. 8m，宽0. 6-1. Om的平面上部署多达14000个硅光敏电池或点耦合元件来获取树 木林下的太阳辐射分布，通过在一天中太阳的移动以及太阳辐射的变化来间接估算树木的 冠层结构参数。该专利所述装置其使用条件受限于在林地环境下，并且要求林地下有较大 的间隙才能够放置该设备。而在低矮植被或连续分布植被，如农作物、草地环境下则无法使 用。
技术实现思路
1、目的针对以上设备与技术存在的问题，本专利技术的目的是一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，该装置具有体积小、成本低、数据自动获取与无线传输 的特点，能够实现无人值守情况下的长时间、大范围、多植被类型冠层结构参数的自动测量 与传输。2、技术方案为实现上述优点，本专利技术采取如下技术方案一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，包括由分布在研究区的冠层上与冠层下的测量节点和路由节点组成的无线传感器网 络；由汇聚节点与控制终端和远程服务器连接形成的数据处理与节点控制系统。无线传感器网络跟数据处理与节点控制系统之间的位置连接关系是无线传感 器网络通过在其汇聚节点上加装串口模块，与控制终端上的数据处理与节点控制系统通过 RS232串口线近距离的连接；无线传感器网络通过在其汇聚节点上加装GPRS模块，与放置 于实验室的远程服务器上的数据处理与节点控制系统通过GPRS无线通信远距离的连接。其中，所述测量节点是由用于测量冠层上下太阳透过辐射的光传感器、用于临时 数据存储的数据存储单元、用于提供采集时间的实时时钟、用于进行无线通信组网和节点 控制运算的核心芯片以及供电单元组成。它们之间的位置连接关系是光存储器，实时时钟 通过I2C与核心芯片连接，数据存储单元通过SPI与核心芯片连接，所有单元都与供电单元 连接。所有元器件分布在10X4. 5cm2的节点电路板上。其中，所述光传感器是一 3 X 3mm2的光电转换器，采用的是环境光感应器TSL2561 芯片；所述数据存储单元是选用M25P10，IMbit的存储器；所述实时时钟是选用PCF8563芯 片计时；所述核心芯片是JENNIC公司提供的高功率的JN5139-Z01-M02R1模块，它同时具有 无线通信组网与单片机控制运行功能；所述供电单元和节点所部署的位置有关，部署于冠 层下的节点电源为两节AA碱性电池，部署在冠层上的节点以及路由节点和汇聚节点电源 为太阳能电池板和备用的两节AA碱性电池的组合。所述路由节点和测量节点在硬件组成上一样，只是在驱动程序上调用的无线通信 协议栈不一样，路由节点可以实现信号中继的路由功能。设置一汇聚节点用来汇总来自所有测量节点的数据，并将汇总的数据传输给控制 终端与远程服务器。其中，所述汇聚节点是在测量节点的元器件基础上增加一个GPRS无线通讯模块 及串口通信模块，该GPRS模块选用的是基于移动2. 5G Hz GPRS网络平台内嵌Siemens MC35I/MC39I工业级模块的无线调制解调器，可以直接与工业电脑等上位机设备连接，实 现GPRS数据通信；串口通信模块选用JENNIC支持良好的，低功耗的电平转化芯片SP3232 ； 由汇聚节点与控制终端和远程服务器相连接组成控制装置即数据处理与节点控制系统，传 递空间位置信息和数据，与无线传感器网络之间实现无线通讯；所述控制终端及远程服务 器均为联网计算机。其中，所述测量节点、路由节点和汇聚节点都写入了自主编制的驱动 程序，驱动程序结构示意图见图1.当打开节点的电源开关后，首先进行各功能模块的初始 化，路由节点会立刻和其他路由节点以及汇聚节点通过多跳自组织的方式建立无线传感器 网络，然后一直处于工作状态，随时等待测量节点的接入。测量节点会搜寻由路由节点组成的无线网络，接入网络后，测量节点进入工作状态，根据预先设定的时间间隔，采集存储数 据，并将数据经由无线网络发送出去。一次采集数据完毕，进入休眠状态，等待下一个时刻 重启中断，如此循环往复。当一阶段数据采集工作完成以后，可以在设定的时间节点中断上 述循环，测量节点进入长时间休眠状态，等待下一次采集工作。其中，所述测量节点中，位于冠层下的测量节点用来获取一天不同太阳高度角的 冠层下 太阳透过辐射，位于冠层上的测量节点用来获取研究区一天中不同太阳高度角的太 阳总辐射，从以上两个测量数值即可提取植被冠层结构参数信息。其中，所述测量节点之间，测量节点与路由节点之间，路由节点与汇聚节点之间， 以及汇聚节点与控制终端和远程服务器的连接关系是多个(N<= 16)冠层上的测量节 点与冠层下的测量节点通过无线通信的方式与路由节点相连；路由节点之间，以及路由节 点与汇聚节点通过无线多跳自组织的方式进行连接；汇聚节点在本质上也属于一个路由节 点，但是，区别与普通路由节点之处是，汇聚节点具有串口通信模块和GPRS模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，其特征在于：它包括由分布在研究区的冠层上与冠层下的测量节点和路由节点组成的无线传感器网络；由汇聚节点与控制终端和远程服务器连接形成的数据处理与节点控制系统；无线传感器网络跟数据处理与节点控制系统之间的位置连接关系是：无线传感器网络通过在其汇聚节点上加装串口模块，与控制终端上的数据处理与节点控制系统通过ＲＳ２３２串口线近距离的连接；无线传感器网络通过在其汇聚节点上加装ＧＰＲＳ模块，与放置于实验室的远程服务器上的数据处理与节点控制的远距离数据传输；所述数据处理与节点控制系统运行于控制终端和远程服务器，当数据从测量节点经由路由节点，汇聚节点，最终传送到控制终端和远程服务器以后，数据处理与节点控制系统可以自动的读取并分析数据，从中提取各测量节点不同太阳高度角下的植被冠层方向间隙率，利用提取的间隙率反演出该节点处植被冠层的叶面积指数与叶倾角分布，并将结果可视化显示；同时，操作人员可以通过数据处理与节点控制系统向测量节点发送命令，改变测量节点的参数设置，从而达到控制目的。系统通过ＧＰＲＳ无线通信远距离的连接；所述测量节点是由用于测量冠层上下太阳透过辐射的光传感器、用于临时数据存储的数据存储单元、用于提供采集时间的实时时钟、用于进行无线通信组网和节点控制运算的核心芯片以及供电单元组成；它们之间的位置连接关系是：光存储器，实时时钟通过Ｉ２Ｃ与核心芯片连接，数据存储单元通过ＳＰＩ与核心芯片连接，所有单元都与供电单元连接；该测量节点的上述所有元器件安装在节点电路板上；所述路由节点在硬件组成上和测量节点一样，只是在驱动程序上调用的无线通信协议栈不一样，路由节点可以实现信号中继的路由功能；所述汇聚节点用来汇总来自所有测量节点的数据，并将汇总的数据传输给控制终端与远程服务器；该汇聚节点是在测量节点的元器件基础上增加一个ＧＰＲＳ无线通讯模块及串口通信模块；由汇聚节点与控制终端和远程服务器相连接组成控制装置即数据处理与节点控制系统，传递空间位置信息和数据，与无线传感器网络之间实现无线通讯；所述测量节点中，位于冠层下的测量节点用来获取一天不同太阳高度角的冠层下太阳透过辐射，位于冠层上的测量节点用来获取研究区一天中不同太阳高度角的太阳总辐射，从以上两个测量数值即可提取植被冠层结构参数信息；所述测量节点之间、测量节点与路由节点之间、路由节点与汇聚节点之间，以及汇聚节点与控制终端和远程服务器的连接关...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：屈永华，王锦地，姜富斌，董健，吕耘帙，焦思红，
申请(专利权)人：北京师范大学，北京星视地信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]