农业物联网消息传递技术研究

摘要

农业是国民经济的基础产业。而农业物联网是发展现代农业的重要途径之一，对我国农业经济发展有着深远而积极的影响。在农业物联网中，感知层采集信息并通过传输层传输至应用层，产生决策后再经传输层传输至感知层进行调控。在此消息传递的过程中，信息在不同层的传输中需要确保节能的特性以及正确性。鉴于以上需求，本文在节能方面采取多项措施，降低能耗;在准确性方面，把消息推送技术应用于农业物联网中，使用MQTT协议对感知数据进行推送，并改进消息推送服务器，提高服务器的运行性能，保证消息准确到达。针对以上农业物联网关键技术进行研究，主要研究内容为: 1、传统发送多个传感数据时，多采用分散的数据包格式，这样会带来多余的能量消耗。针对这个问题，通过设置数据包对多个传感数据进行封装统一发送，避免了在发送多个传感数据情况下，需要多次启动无线单元所带来的能量消耗。通过实验验证:在相同电量下，对集成传感器节点使用自设数据包发送数据时可以多发送1.9倍的数据量，结果表明该节能措施有效。 2、汇聚网关节点中若直接推送多个终端节点数据，会因频繁推送而造成能量消耗过多。为解决这一问题，使用哈夫曼编码压缩机制对多个终端节点数据进行压缩，压缩率约41％，然后进行推送。实验结果表明:相同电量下，使用压缩机制可以多推送约25.31％数据包，即单位推送消息能耗更小。 3、为了进一步提高服务器的运行性能，保证消息的准确到达，改进消息推送服务器的推送机制，分别在空闲管理连接机制上和消息发送主题匹配机制上进行优化，改善服务器性能。在空闲管理连接机制上对原数组保存连接对象的空闲连接建立索引，并使用动态数组进行保存。当新的连接到来时，可以直接通过索引快速找到空闲连接并进行匹配，避免了现有推送机制中对原数组进行全盘扫描带来的资源浪费。在消息发送主题匹配机制上，使用哈希表保存主题与其对应订阅列表之间的映射地址。当对主题进行操作时，不必对整个订阅树进行扫描，遍历匹配相同的主题，再去找订阅列表，而是直接通过哈希表中主题的映射地址快速找到订阅列表。通过实验验证，改进后服务器的平均响应时间相比原先平均提高了13.916％，说明该改进方法可有效提高服务器运行性能。 综合以上相关技术，对终端采集节点和汇聚网关进行软硬件实现，并搭建温室监测平台进行综合测试，该平台实现了对温室环境信息进行采集、传输、推送的完整过程。通过测试发现，在相同电量下相比原先可多推送42.6％的数据包。

目录

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图目录

表目录

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

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．3研究内容及技术路线

1．3．1研究内容

1．3．2技术路线

1．4论文组织结构

1．5本章小结

第二章节点的整体设计与消息传输

2．1整体架构

2．1．1终端采集节点结构

2．1．2汇聚网关节点结构

2．2消息传输过程

2．2．1终端采集节点消息传输

2．2．2汇聚网关消息传输

2．3本章小结

第三章数据传输节能策略与压缩机制

3．1传统传输方案与能耗分析

3．2终端节点数据包格式与数据处理方式

3．2．1终端采集节点数据包格式

3．2．2数据传输处理方式

3．3汇聚网关数据处理与压缩机制

3．3．1数据接收处理过程

3．3．2汇聚网关接收多个终端采集节点数据

3．3．3哈夫曼编码压缩

3．4实验测试

3．4．1数据包发送对比实验

3．4．2压缩实验测试

3．5本章小结

第四章消息推送服务器的优化改进

4．1常用服务器消息推送机制及存在问题

4．1．1以农业应用为例的订阅主题树

4．1．2存在问题

4．2消息推送机制优化策略

4．2．1空闲连接管理机制优化

4．2．2消息发送主题匹配机制优化

4．3优化方案实施

4．3．1主要优化函数

4．3．2具体优化策略

4．4实验测试

4．4．1存储结构检索效率实验

4．4．2改进前后服务器响应时间对比实验

4．4．3改进前后采集节点数据推送对比实验

4．4．4测试结果与分析

4．5本章小结

第五章以温室环境监测为应用的软硬件平台实现

5．1应用系统架构

5．2终端采集节点和汇聚节点整体实现

5．2．1终端采集节点硬件实现

5．2．2汇聚网关节点硬件实现

5．3终端采集节点和汇聚节点软件实现

5．3．1终端采集节点软件实现

5．3．2汇聚网关节点软件实现

5．4综合测试

5．4．1汇聚网关节点能耗综合测试

5．4．2网络稳定性测试

5．5本章小结

第六章总结与展望

6．1工作总结

6．2研究展望

参考文献

攻读学位期间获取的研究成果

致谢