本發(fā)明涉及一種監(jiān)測系統(tǒng)，具體是一種基于壓縮感知的大型溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為了提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越多，它的應(yīng)用解決了外界相對惡劣的生態(tài)環(huán)境對農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。在大型溫室的無線監(jiān)測系統(tǒng)中分布著大量的傳感節(jié)點，而目前的采樣機制都是基于高采樣頻率的奈奎斯特采樣定理，因此對硬件的處理能力要求很高，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件資源的限制容易導(dǎo)致節(jié)點的損壞，造成溫室監(jiān)測系統(tǒng)的生命周期變短，影響了智能溫室在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的運用與推廣。為減少數(shù)據(jù)的采集量和通信量，提出將壓縮感知理論應(yīng)用于溫室環(huán)境的無線監(jiān)測系統(tǒng)中，用以取代高采樣頻率的奈奎斯特采樣定理。

溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)是基于計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)等集成的高科技產(chǎn)品^[1]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks，wsns)技術(shù)的發(fā)展，科技人員已經(jīng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到目前的溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)中，隨著大型溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)目的不斷增多，需要感知系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的能力不斷得到增強，需要存儲、處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也快速增加。發(fā)送和接收這些數(shù)據(jù)所需要消耗的能量給原本能量就受限的傳感節(jié)點帶來了巨大的壓力，所以減少溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集量和通信量是延長其網(wǎng)絡(luò)生命周期的有效方法之一。

許多學(xué)者對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)壓縮的方法進行了研究，但它們大多是基于傳統(tǒng)的香農(nóng)采樣定理，它要求信號的采樣頻率不得低于信號最大頻率的兩倍，在該理論指導(dǎo)下的信號處理和壓縮已經(jīng)成為目前信息處理領(lǐng)域進一步發(fā)展的主要瓶頸之一。近年來，壓縮感知理論(compresssensing，cs)打破了傳統(tǒng)的nyquist采樣，為數(shù)據(jù)的采樣和壓縮帶來了一次新的革命。壓縮感知理論是現(xiàn)代信息科學(xué)領(lǐng)域中全新的信息處理方法，其作為一種新的采樣理論，它利用信號的稀疏特性，以遠小于信號的nyquist頻率對信號進行采樣，得到壓縮后的數(shù)據(jù)，再利用重構(gòu)算法重構(gòu)原始信號，從而進一步減少了傳輸和處理成本。

將壓縮感知技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相互結(jié)合，它既可以減少節(jié)點處理的數(shù)據(jù)量，又能降低節(jié)點的電源消耗，同時還減少了網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，在一定程度上，也解決了網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的擁塞問題等等。壓縮傳感理論已經(jīng)在圖像處理中得到有效的應(yīng)用，但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還在初步研究階段。因此，本發(fā)明將壓縮感知技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法應(yīng)用在大型溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓縮感知的大型溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于壓縮感知的大型溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、協(xié)調(diào)器、無線發(fā)射模塊、電源模塊和監(jiān)測中心，所述數(shù)據(jù)采集模塊采集到各項參數(shù)信息并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊中，數(shù)據(jù)處理模塊包括壓縮采樣模塊、單片機模塊和rf視頻收發(fā)模塊，壓縮采樣模塊將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行壓縮處理后傳輸給單片機，單片機通過rf視頻收發(fā)模塊將輸出進行遠程傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器還連接信號重構(gòu)模塊和無線發(fā)射模塊，無線發(fā)射模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)測中心，電源模塊分別給數(shù)據(jù)采樣模塊和數(shù)據(jù)處理模塊供電。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案：所述電源模塊包括太陽能板t、蓄電池e、三極管v1和芯片ic1，所述太陽能板t的一端連接二極管d1的陽極、電阻r2和三極管v3的集電極，電阻r2的另一端連接電阻r3和三極管v3的基極，三極管v3的發(fā)射極連接繼電器k，二極管d1的陰極連接電容c1、電阻r1、三極管v1的集電極、三極管v2的集電極、繼電器k的觸點k-1和芯片ic1的引腳7，電容c1的另一端連接繼電器k的另一端、電阻r3的另一端、電容c2、二極管d2的陽極、蓄電池e的負極、太陽能板t的另一端、芯片ic1的引腳4和輸出電壓u1的負極，三極管v1的基極連接芯片ic1的引腳6，三極管v1的發(fā)射極連接三極管v2的基極，三極管v2的發(fā)射極連接電容c2的另一端、電容c3的另一端、芯片ic1的引腳2和輸出電壓u1的正極，電阻r1的另一端連接二極管d2的陰極和芯片ic1的引腳3。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案：所述芯片ic1的型號為op07。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案：所述數(shù)據(jù)采樣模塊包括溫濕度傳感器、co2濃度傳感器和光照強度傳感器。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案：所述數(shù)據(jù)處理模塊使用cc2530芯片。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案：所述無線網(wǎng)絡(luò)為4g網(wǎng)絡(luò)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于壓縮感知的大型溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)將壓縮感知理論運用于溫室系統(tǒng)內(nèi)溫度參數(shù)的采集。在信源處，即傳感節(jié)點，進行壓縮感知編碼，經(jīng)過信道傳輸，即傳感器網(wǎng)絡(luò)，最后在信宿處，即匯聚節(jié)點，進行壓縮感知解碼。運用壓縮感知于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅大大降低了數(shù)據(jù)的通信量，而且很大程度上的節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能耗，從而延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期，同時還使用具有光伏發(fā)電功能的雙電源供電，節(jié)約能源，且功能穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為基于壓縮感知的大型溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)的整體方框圖。

圖2為電源模塊的電路圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1-2，一種基于壓縮感知的大型溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、協(xié)調(diào)器、無線發(fā)射模塊、電源模塊和監(jiān)測中心，所述數(shù)據(jù)采集模塊采集到各項參數(shù)信息并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊中，數(shù)據(jù)處理模塊包括壓縮采樣模塊、單片機模塊和rf視頻收發(fā)模塊，壓縮采樣模塊將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行壓縮處理后傳輸給單片機，單片機通過rf視頻收發(fā)模塊將輸出進行遠程傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器還連接信號重構(gòu)模塊和無線發(fā)射模塊，無線發(fā)射模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)測中心，電源模塊分別給數(shù)據(jù)采樣模塊和數(shù)據(jù)處理模塊供電。

電源模塊包括太陽能板t、蓄電池e、三極管v1和芯片ic1，所述太陽能板t的一端連接二極管d1的陽極、電阻r2和三極管v3的集電極，電阻r2的另一端連接電阻r3和三極管v3的基極，三極管v3的發(fā)射極連接繼電器k，二極管d1的陰極連接電容c1、電阻r1、三極管v1的集電極、三極管v2的集電極、繼電器k的觸點k-1和芯片ic1的引腳7，電容c1的另一端連接繼電器k的另一端、電阻r3的另一端、電容c2、二極管d2的陽極、蓄電池e的負極、太陽能板t的另一端、芯片ic1的引腳4和輸出電壓u1的負極，三極管v1的基極連接芯片ic1的引腳6，三極管v1的發(fā)射極連接三極管v2的基極，三極管v2的發(fā)射極連接電容c2的另一端、電容c3的另一端、芯片ic1的引腳2和輸出電壓u1的正極，電阻r1的另一端連接二極管d2的陰極和芯片ic1的引腳3。

數(shù)據(jù)采樣模塊主要負責檢測溫室內(nèi)的溫度、濕度、co2濃度和光照度等影響植物生長的主要環(huán)境因素。傳感器采集到的環(huán)境信息經(jīng)過壓縮、轉(zhuǎn)換、濾波等一些簡單處理過后通過底層zigbee網(wǎng)絡(luò)通信和gprs通信傳送到遠程監(jiān)控中心。傳感器采集環(huán)境信息的準確度與整個智能溫室能否實現(xiàn)正確的控制有著密不可分的聯(lián)系。

co2濃度傳感器，檢測溫室內(nèi)co2濃度所采用的是mg811二氧化碳氣體傳感器，對二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，且擁有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。

光照度傳感器，采用bh1750fvigy-30數(shù)字光強度模塊檢測溫室內(nèi)的光照度，該模塊使用rohm原裝bh1750fvi芯片，bh1750fvi是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路。

溫濕度傳感器，檢測環(huán)境溫度、濕度所采用的傳感器為dht11，該傳感器為一種已經(jīng)校正過的單總線數(shù)字信號輸出溫濕度一體傳感器，傳感器內(nèi)部包含一個電阻式測濕元件和一個ntc測溫元件，不需要外接ad轉(zhuǎn)換芯片。

本發(fā)明選用ti公司的高性能cc2530芯片作為射頻模塊，采集并傳送數(shù)據(jù)。cc2530應(yīng)用了業(yè)界領(lǐng)先的z-stack?協(xié)議棧，ti公司提供cc2530f32/64/128/256等多個存儲容量不同的cc2530芯片，最大可提供高達256kb的代碼存儲容量，cc2530支持四種供電模式，提供2個usart、五通道dma、aes安全協(xié)處理器、21個通用引腳。芯片自帶精度高達12位的8通道ad采集芯片，具有良好的易用性和通用性。

本發(fā)明的工作原理是：電源模塊的工作原理是：有光照時，太陽能板t完成光電轉(zhuǎn)換并將電能輸出給電路，其中一部分經(jīng)過電阻r2和電阻r3分壓后加在三極管v3的基極，因此t的輸出電壓正常時，三極管v3導(dǎo)通，繼電器k導(dǎo)通，其觸點k-1斷開，此時的由太陽能板t供電，由三極管v1、三極管v2和芯片ic1等元件組成控制電路，電路采用運算放大器μa741作為比較控制元件，三極管v1和v2作為調(diào)整元件，電路工作于開關(guān)狀態(tài)。當輸出電壓u1比基準電壓低2mv時，即芯片ic1的2腳比3腳低2mv(因為μa741的反應(yīng)靈敏度為2mv)，芯片ic1的6腳輸出高電平，控制v1和v2導(dǎo)通，以大電流為負載和有關(guān)濾波電容c2、c3等補充電能，很快使輸出電壓升到12v，即芯片ic1的2、3腳電位相等。其6腳輸出低電壓(2v)，v1、v2關(guān)閉，暫停供電。隨著時間的增長，輸出電壓逐漸下降，又重復(fù)上述過程，周而復(fù)始，電源持續(xù)處于開關(guān)狀態(tài)，并使輸出電壓u1始終穩(wěn)定，遇到長時間陰雨天氣導(dǎo)致t的電壓降低到不足以維持電路運行時，經(jīng)過電阻r2和電阻r3分壓后的電壓不足以維持三極管v3的導(dǎo)通，繼電器k失電，其觸點k-1接通，此時由蓄電池e供電電路正常啟動的電壓，實現(xiàn)雙電源供電的目的。

本發(fā)明基于壓縮感知的大型溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)將壓縮感知理論運用于溫室系統(tǒng)內(nèi)溫度參數(shù)的采集。在信源處，即傳感節(jié)點，進行壓縮感知編碼，經(jīng)過信道傳輸，即傳感器網(wǎng)絡(luò)，最后在信宿處，即匯聚節(jié)點，進行壓縮感知解碼。運用壓縮感知于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅大大降低了數(shù)據(jù)的通信量，而且很大程度上的節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能耗，從而延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期，同時還使用具有光伏發(fā)電功能的雙電源供電，節(jié)約能源，且功能穩(wěn)定。