智能农业灌区传感器网络关键技术研究

摘要

水资源作为稀缺资源已不仅仅是资源问题，更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题，发展节水灌溉技术是我国现代农业的必然选择，而智能农业灌区又是节水灌溉中的重要组成部分。与传统农业灌区相比，智能农业灌区具有功能强大、兼容性高、可靠性高且成本低廉等特点。无线传感器网络应用到农业灌区监测中，既可以解决传统监测方法实时性差、布线冗杂、成本高等问题，又能够实现对农业灌区的监测，推动农业灌区智能化的发展。本文将从节点部署和节点低功耗两方面，对农业灌区内的传感器网络进行研究。
　　首先，本文对农业灌区节点部署方法进行研究，综合考虑覆盖率和所需节点数等因素，选择了正六边形网格部署方法。由于农业灌区具有覆盖范围广、农作物生长周期长、天气状况复杂等特点，结合节点部署方法研究成果，分析了灌区内影响网络可靠性的因素。实际环境中农作物遮挡、灌溉电机产生的电磁脉冲以及雨天等会导致节点丢包率发生变化，降低网络可靠性。因此本文基于NS2仿真软件，从丢包率、延时和网络寿命三个方面分析了上述影响因素对网络可靠性的影响。分析结果表明农作物遮挡对网络可靠性影响最大，在进行灌区全覆盖节点部署时，选择合适的节点摆放高度消除农作物的遮挡影响，避免灌溉电机等电磁脉冲的干扰，同时通过加大发射功率或天线增益削弱雨衰等对网络可靠性的影响。结合网络可靠性影响因素分析结果，对优化后的节点部署方法进行可靠性分析，结果表明当灌区内存在上述可靠性影响因素时，优化后的节点部署方法可以降低这些因素的影响，提高网络可靠性，保证网络监测任务的完成。此外本文还针对25m×10m的监测区域提出了具体的节点部署方案。
　　其次，本文对节点低功耗技术进行了研究，在分析现有传感器节点低功耗技术的基础上，提出了一种基于状态机的节点低功耗方法。将节点低功耗方法应用到本文设计的传感节点上，对本文提出的节点低功耗方法进行验证，测试结果表明，利用该低功耗方法进行信息采集传输时，本文设计的传感器节点具有较好的低功耗性能。
　　最后，针对智能农业灌区这一特殊应用环境，本文构建了一套传感器网络监测系统，该系统可以对农业灌区信息进行采集、传输、显示，同时远程用户可以利用互联网访问本地监控中心。此外本文还对构建的传感器网络监测系统进行了功能测试，测试结果表明该系统能够实时地、准确地对农业灌区信息进行监测，可以为灌区的灌溉决策提供依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容及章节安排

1．3．1 本文研究内容

1．3．2 本文章节安排

第二章 智能农业灌区传感器网络节点部署方法研究

2．1 智能农业灌区传感器网络节点部署概述

2．2 智能农业灌区传感器网络节点部署方法研究

2．2．1 节点感知模型

2．2．2 节点部署方法分析

2．3 智能农业灌区传感器网络可靠性影响因素分析

2．3．1 智能农业灌区应用环境下的可靠性研究背景

2．3．2 智能农业灌区传感器网络可靠性分析基础

2．3．3 智能农业灌区传感器网络影响因素分析及优化

2．4 节点部署方案示例

2．5 本章小结

第三章 智能农业灌区节点低功耗研究

3．1 节点低功耗概述

3．2 智能农业灌区节点低功耗方法研究

3．2．1 状态机概述

3．2．2 基于状态机的节点低功耗研究

3．3 基于状态机的节点低功耗方法验证

3．3．1 节点低功耗状态分析

3．3．2 基于状态机节点低功耗方法结果分析

3．4 本章小结

第四章 智能农业灌区传感器网络系统设计

4．1 系统总体需求分析

4．1．1 系统性能需求分析

4．1．2 系统功能需求分析

4．1．3 系统结构构成

4．2 智能农业灌区传感器网络系统硬件设计

4．2．1 网关节点硬件设计

4．2．2 传感节点硬件设计

4．3 智能农业灌区传感器网络软件设计

4．3．1 传感器网络软件需求分析及框架设计

4．3．2 系统通信协议设计

4．3．3 传感器网络系统软件设计

4．4 智能农业灌区传感器网络节点外观设计

4．5 本章小结

第五章 系统测试

5．1 智能农业灌区传感器网络系统测试方案

5．2 智能农业灌区传感器网络系统测试结果

5．3 本章小结

第六章 总结展望

6．1 本文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

硕士期间研究成果