農業技術碩士論文范文:面向精密農業之無線傳感具網絡重要技術分析

來源: www.cdduwq.com.cn 作者:lgg 發布時間:2013-10-04 17:42 論文字數:39700字
論文編號: sb201310041608408667 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
網絡體系結構是進行實際應用系統設計的參考基礎,針對面型農業的系統,闡述了系統的體系結構,采用分層面的設計方式。同時對實際的應用系統進行介紹,從硬件和軟件兩個方面給出系統的

第1章緒論


1.1研究背景
1.1.1問題的提出
農業是國民經濟的基礎,保障農業的可持續性發展是世界各國需要解決的首要問題。中國是一個農業大國,從我國的情況來看,保障21世紀]6億人口的糧食安全問題是我國農業生產需要解決的首要問題。近20年來,農業和農村經濟取得了飛躍的發展。然而,農業耕地和水資源缺乏,不合理的施肥、灌溉和施藥等農事活動造成了大量的資源浪費,污染了農田環境,農業裝備技術發展滯后,難以滿足我國現代農業發展的需要,是我國農業生產必須面對的挑戰。在這種形式下,研究建立我國精細農業技術體系,對于提高我國農業現代化水平,實現依靠科技進步解決“三農”問題具有重大的意義。精細農業是我國現代化農業發展的重大技術選擇。農田是不可增長的自然資源,如何在有限的農田資源基礎上,借助先進的科技手段提高農田的生產效率、經濟效益與環境效益已經成為我國必需解決的重大問題。目前,以現代信息技術與農業技術融合為特點的“農業”技術成為解決以上問題的關鍵支撐技術之一。其核心是利用信息技術精確、及時地獲取地塊中每個小區土壤、環境與作物的信息,診斷作物的長勢和產量在空間上差異的原因,并對每個小區做出決策,準確地在每個小區上進行灌溉、施肥、噴藥等,以達到最大限度地提高水、肥和殺蟲劑的利用效率,增加產量,減少環境污染,促進土地集約利用的目的。如何以低成本、低功耗與良好的環境適應能力,準確獲取反映大面積農田的各種信息是“農業”有效實施的一項關鍵技術。精細農業是基于信息和知識支持的現代農業⑴,其主要目標是獲取作物生長的環境因素,這些因素在很大程度上決定作物的產量和質量。這些因素通常包括:作物環境的溫濕度、含水量、風速風向等,對于這些信息,常具有空間和時間差異性的特點。精細農業,是指針對以上信息,區別對待,按需實施定位調控,也就是“處方農作"。
無線傳感器網絡(wireless sensor network WSN)是20世紀末發展起來的一種無線自組織網絡,是物聯網的關鍵組成部分,是當前國際上的一個研究熱點。美國商業周刊和MIT技術評論在預測未來技術發展報告中,分別將無線傳感器網絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。WSN是傳感器技術、嵌入式計算技術和通信技術一體化的產物,可以實時感知所需要的信息,以實現實時監控對象,并對這些信息進行處理,傳送給用戶。因此,WSN可以很好的為精細農業服務,實現農業領域的數字化管理。WSN可精準地獲取作物的生長信息,并即使將信息反饋給用戶,為操作者提供現場監控的依據。WSN可以大面積的獲取信息,為數字農業的高技術發展,實現農業資源與環境的協調發展提供了可施展的技術平臺,是重要支撐技術。精細農業起源于歐美發達國家,這些國家己經對WSN在精細農業中的應用進行了大量研究早在1996年,美國有29%的農場服務商提供使用GPS的網格取樣,到2002年己提供到50%。美國普渡大學(Purdue University) 2007年的一項調查表明,76%的被調查者使用了某種精細農業技術,其中64%的人使用了衛星或航空影像數據。我國也己經開展了將WSN應用于灌概控制系統的研究。我國科學家在20世紀90年代初提出了在我國進行精細農業的建議。其中南開大學的郵志剛給出了面向精確灌溉的WSN智能監控總體構架,以及傳感器網絡系統級和節點級的設計方案;中國農業大學的精細農業研究中心的汪撤華院士等根據農田環境的應用需求,設計了基于WSN的農田土壤溫濕度監測系統,為精細農業空間差異性與灌概決策研究提供了有效工具。總體說來,我國在精細農業方面的應用還處于初步研究應用階段,WSN在灌概控制中的應用還處于起步階段,有必要研究面向精細農業的無線傳感器網絡數據傳輸關鍵技術。


1. 1.2研究的目的和意義
精細農業需要高密度、高速度、高準確度的農田信息作為實施依據。然而,在精細農業中,遠程信息的獲取是目前需要攻克的一個難題。對于農田信息獲取,大致經歷了以下幾個階段:最初是從原始的人工獲取開始,發展到實驗室取樣獲取;隨著傳感器網絡的出現,有線傳感器網絡獲取開始應用于農業中,隨著傳感器網絡的發展,遙感獲取和WSN獲取是目前發展趨勢。與發達國家相比,我國利用WSN獲取農田信息還處于起步階段,與世界先進水平還存在一定的差距。在運用WSN進行農田信息的遠程獲取過程中,必須結合具體應用的特點來解決數據傳輸的關鍵問題。本文針對面向精細農業的WSN,對關鍵技術進行研究,對精細農業中WSN理論體系的建立和推廣是有益的探索,為我國的農業現代化做出貢獻。利用WSN技術解決農田信息采集與管理問題已經成為研究熱點之一。但目前,主要的研究集中于溫室蔬菜大棚和水文檢測領域內的傳感器網絡設計,而對于無線傳感器網絡在大規模農田種植領域的應用及其組織結構、節點定位、路由協議、節能策略與數據融合等均缺少系統深入的研究。在這類應用中,監測面積大、農作物生長周期長、傳感器節點數量多、各節點往往配置多源信息(各種土壤屬性、環境屬性與作物生長信息等)、作物類型與地勢多樣、天氣狀況復雜,這些特點為面向農業的大規模無線傳感器網絡系統的應用帶來了挑戰。本項目就旨在以低成本、低功耗與良好的環境適應性為目標,設計面向農業的大規模無線傳感器網絡的組織結構,并研究相應的節點定位與數據融合技術。本文在大田和設施農兩個應用環境領域建立典型的應用示范技術,將WSN理論研究與實際應用結合起來,為提升我國在這一領域的核心競爭力做出了有益的探索。


第2章農業應用環境對無線信道傳播特性的影響與模型研究


隨著無線通信技術的發展,微芯片技術的進步,無線傳感器網絡(Wireness SensorNetwork, WSN)作為一種全新的信息獲取和處理方式,以其低功耗,低成本,智能性強等特點,已在農業領域中得到了施展的平臺。在實際應用中,由于農業應用環境的復雜多樣性,本章將具體討論果園裸地、平地與山地不同環境等典型環境為對象,研究典型環境對無線信道傳播特性的影響。


2. 1建模


2. 1. 1理論建模
本次試驗地點在嘉興某果園,試驗共取了三種地勢的果園:裸地、平地、山地。裸地即為平地的水果園旁邊的一塊無作物的空礦土地,作為平地、山地無線信道路徑損耗的對比。平地為果園內的一塊平整土地。考慮到嘉興的實際地形,山地為果園內的相對高差為50ni的地段。作物因素方面,試驗選擇的果園(包括平地、山地)枝葉較為密集,植株也達到了近3m的高度,這也為架設天線提高了難度。由于所選擇的不同環境下植株的生長情況基本一致,這為實驗中丟包率和路徑損耗的對比提供了更高的可靠性。另外,由于氣候環境如光照、雨量、溫度等對本試驗中的無線信號傳播影響并不是很大,所以忽略這些因素的影響。


第3章面向精細農業的WSN結構....... 30
3. 1引言 .......30
3. 2 WSN 結構 .......30
3.2. 1 ZigBee的協議框架 .......30
3. 2. 2 ZigBee的網絡拓撲....... 33
3.2. 3 Mesh的網絡拓撲....... 34
3. 2. 4 ZigBee 安全管理.......37
3.3面向精細農業的WSN組網方式....... 37
3.4本章小結....... 43
第4章面向精細農業的WSN節點低....... 45
4.1引言 454.2定位技術介紹....... 45
4.3典型的定位算法及定位算法....... 49
4.4改進的DV—Hop算法....... 53
4.4. 1節點硬件框圖....... 53
4. 4. 2改進的DV-Hop算法....... 54
4.5本章小結.......58
第5章面向精細農業的WSN數據融合....... 60
5.1引言....... 60
5.1.1 WSN數據融合的意義.......60
5.2壓縮感知相關理論....... 62
5. 2. 1壓縮感知....... 62
5.2.2壓縮感知理論發展....... 64
5.3基于空間相關性的分布式壓縮感知....... 65


結論


本論文以良好的環境適應性、低功耗、低成本、標準化為目標,以大田與設施農業兩種應用對象,研究了面向精細農業的無線傳感器網絡關鍵技術,包括網絡結構、組網方式、節點定位方法、數據融合方法、能量快速自給與節能策略,并介紹了無線傳感器網絡系統性能評價方法、面向物聯網的中間件設計方法、通用節點軟硬件設計方法與典型應用系統。具體主要在以下幾個方面:
(1)農業應用環境對無線信道傳播特性的影響與模型研究針對不同的農業應用環境,分別就平地、裸地以及山地進行了實驗,對不同信道頻率下的丟包率,RSSI值以及不同天線下的傳輸范圍進行了綜合分析比較,得出了信道衰減經驗模型,為無線傳感器網絡組織結構、路由協議與不同應用環境的節點部署方法提供了依據。
(2)面向精細農業的WSN結構與組網方式研究在研究常用無線傳感器網絡結構與通信協議的基礎上,尤其是在分析ZigBee協議及其網絡結構的基礎上,針對設施農業與大田應用環境,設計了分簇無線傳感器網絡結構,提出了分簇有限自組網的結構與組網方式,并設計了交叉雙鏈的通信模式,增加了農業無線傳感器網絡的通信可靠性。
(3)面向精細農業的WSN節點低成本定位方法研究面向大田應用,對DV-Hop節點定位算法進行了改進,采用了四邊測距方式定位普通節點的位置,實現了精細農業用無線傳感器網絡的低成本定位,為定點施肥、灌溉等提供技術支持。
(4)面向精細農業的WSN數據融合方式研究以減少無線傳感器網絡節點通信量、降低節點功耗為目標,采用了基于空間相關性的壓縮感知理論對節點數據進行融合,減少了數據的傳輸量,有效地降低了節點功耗。
(5)服務質量目標驅動的農業WSN系統評價策略計對農業無線傳感器網絡行業標準研究滯后的實際,結合精細農業應用需求,以網絡服務質量為目標,建立了農業WSN體系結構,提出了面向精細農業應用的WSN系統評價策略,為農業無線傳感器網絡行業標準的建立提供參考。在此基礎上,本章針對分簇網絡結構、簇內交叉雙鏈的通信方式,測試了丟包率、網絡延時、網絡能耗、網絡帶寬等指標,并計算了服務質量,結果表明,本文所設計的網絡結構與組網方式,具有良好的QoS指標。


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