基于物联网的设施农业环境监控系统关键技术研究与应用

摘要

设施农业融合了现代工程技术、自动化技术和信息技术的重要成果，已成为现代农业的重要标志。环境监控是实现设施农业生产自动化、高效化最为重要的环节之一。传统设施环境监控系统的数据获取与传输主要依靠有线网络，这种模式的设施监控系统在设施监控技术的发展历程中占据了较长时间，直到现在仍旧发挥着重要作用。但是，有线设施监控系统部署困难、安装维护成本高，并且由于设施环境潮湿，土壤及空气具有较高的酸碱性以及部分类型设施长期高温，容易导致通信电缆老化，从而降低系统的可靠性。
　　近年流行的物联网技术，具有全面感知、可靠传递和智能处理的特性，为解决传统有线设施监控系统存在的问题提供了新的途径。广大研究者围绕这个方向进行了积极研究，取得了一些成果，但仍存在不少问题，如:多数集中于应用示范，有针对性的设施物联网理论研究不多，适合设施环境的高效无线传感器网络协议较少，无线化并不彻底，控制部分绝大多数采用有线方式实现，不能充分发挥物联网的优势，同时，普遍侧重设施环境信息的无线采集，上位机平台的研究与开发重视不够。本课题针对这些问题，以设施物联网的关键技术作为切入点，在国家863项目以及多项省部级课题的支持下，展开了研究。主要工作如下:
　　(1)通过研究比较目前已有的物联网体系架构，结合设施监控应用的特点，确立了物联网型设施农业环境监控系统的体系架构，该架构分为四层:第一层是现场监控层，主要负责环境信息采集、物理机构控制以及现场实况视频的获取;第二层是异构接入层，主要负责管理现场监控层的无线网络，实现现场监控层与其它各层的数据交换，以及本地缓存和处理接收的设施环境数据;第三层是数据传输层，主要作为应用服务层与现场监控层和异构接入层之间数据传递媒介;第四层是应用服务层，作为整个系统对外提供服务的窗口，由应用服务中间件、Web监控平台和移动终端监控系统等三部分组成。
　　(2)选择433Mhz作为现场监控层无线传感器网络的通信频段，设计了射频模块、无线监测节点、无线控制节点和异构网关;测定了无线监测节点的发射电流、接收电流、发送数据时间和接收数据时间等关键参数;通过放电试验获得了碱性电池的初始容量，给出了适用于本课题的安时积分法电池容量估计公式;运用高斯滤波平滑了接收信号的RSSI值;结合惠更斯-菲涅耳原理分析了433Mhz无线电波的设施环境传播特性;在番茄温室中进行了无线电波传播试验，运用线性回归方法针对平行于植株行方向和垂直于植株行方向建立了设施环境的无线电波传播模型，验证样本的验证结果显示，两个方向的模型预测误差均在7％以内，表明模型具有较高的预测精度，可用于设施环境433Mhz射频信号的衰减预测。
　　(3)设计了适用于设施环境监控的无线传感器网络协议栈，着重研究了MAC层和网络层的设计方法。在MAC层，给出了结合DTMS和TPSN的时间同步机制，以及综合TDMA和CSMA-CA的实用化冲突避免方法。在网络层，针对现代温室的实际情况，提出了一种基于虚拟网格的固定分簇方法。首次利用射频传播模型以及文中提出的定理估算了节点距离网格中心的远近情况，综合节点的剩余能量信息，形成了新型最优簇首选举策略，增添次优簇首提高了网络的鲁棒性。新簇首的选举由上轮的最优簇首确定，通过估算网络的理论极限寿命，给出了簇首轮换周期的计算方法。利用已知的网格坐标信息，综合考虑邻居网格簇首的剩余能量和信号强度，实现了簇间多跳定向路由。Matlab仿真试验表明，文中提出的固定分簇协议在节点同构并且网关距离网络较远（大于87m）时，生存期内的簇首轮换次数相比Leach协议减少一半，但寿命却明显增加，而网关位置固定节点异构时固定分簇协议的优势更加明显，在能耗异构情况下网络寿命相比Leach协议增加1倍，能量异构时增加大约2倍，几乎接近理论极限寿命。
　　(4)基于设施监控场合数据融合的必要，提出一种适合设施无线传感器网络系统的数据融合模型。在数据级，围绕幂均方融合法，提出了一种新型支持度函数，现场试验分析表明，新型支持度函数的幂均方融合精度与高斯型支持度函数无显著差异，但运算时间缩短83.6％，并且融合效果优于算术平均法;在决策级，采用机理法建立了冬季温室加热系统模型，通过黑箱实验法获得了模型参数，基于内模控制思想设计了PID控制器，运用鲁棒控制理论确定了内模控制器的滤波器参数，使得PID控制对模型参数的变动有较强的适应性，引入传统的Bang-Bang控制缩短了鲁棒IMC-PID的上升时间。
　　(5)针对物联网型设施环境监控系统的数据通信特点，借鉴TCP协议的握手机制，给出了UDP通信协议的实用可靠性保证方法;设计了应用服务中间件作为应用服务平台的网关，协调Web监控平台和移动终端监控系统与现场监控层的通信;基于Flex技术设计了Web监控平台，并在该平台中嵌入了Unity3D设计动态虚拟温室，采用Javascript实现了物理机构与虚拟机构的动作同步，通过FluorineFx网关实现了Flex与SQL数据库的通信;引入云计算技术，将应用服务中间件和Web监控平台部署于云服务器中，保证了应用服务平台的稳定可靠;设计了android平台的设施环境监控终端，实现移动平台的了实时数据获取、历史曲线查看、远程机构控制和现场实时视频等功能。
　　最后对课题的研究进行了总结，并对下一步的研究工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究背景

1．3 国内外研究现状

1．3．1 物联网的起源与发展

1．3．2 基于物联网技术的设施农业环境监控系统研究现状

1．4 研究内容

1．5 系统架构与技术路线

1．5．1 系统架构

1．5．2 技术路线

1．6 小结

参考文献

第二章 应用于设施环境监控的无线节点设计与无线电波传播特性分析

2．1 引言

2．2 射频模块设计

2．3 设施环境无线节点设计

2．3．1 无线监测节点设计

2．3．2 无线控制节点设计

2．3．3 异构网关设计

2．4 设施农业环境无线电波传播模型研究

2．4．1 无线电波衰落特性

2．4．2 信号强度(RSSI)估计

2．4．3 设施环境无线电波传播模型

2．5 小结

参考文献

第三章 面向设施环境监控的无线传感器网络协议栈设计

3．1 引言

3．2 无线传感器网络协议栈概述

3．3 适用于设施监控的无线传感器网络协议栈设计思想

3．4 设施信息监控无线传感器网络系统物理层设计

3．5 设施信息监控无线传感器网络系统MAC层设计

3．5．1 时间同步算法

3．5．2 TDMA和CSMA-CA

3．6 设施信息监控无线传感器网络系统网络层设计

3．6．1 LEACH协议分析

3．6．2 面向设施环境信息监控的无线传感器网络层次路由协议

3．7 设施监控无线传感器网络系统应用层设计

3．8 小结

参考文献

第四章 设施无线传感器网络监控系统数据融合方法研究

4．1 引言

4．2 设施无线传感器网络监控系统数据融合模型

4．3 数据级幂均方融合

4．3．1 支持度函数分析

4．3．2 新型支持度函数

4．3．3 基于新型支持度函数的温室WSN系统幂均方数据融合

4．3．4 试验分析

4．4 决策级数据融合

4．4．1 冬季温室加热系统模型

4．4．2 温室加热系统模型参数辨识

4．4．3 温室加热控制算法研究与仿真分析

4．5 小结

参考文献

第五章 设施监控应用服务平台设计

5．1 引言

5．2 基于UDP的通信服务框架设计

5．2．1 设施农业环境监控系统网络通信特点及UDP协议可行性

5．2．2 UDP通信协议的实用可靠性保证方法

5．3 应用服务中间件设计

5．4 设施环境Web监控平台设计与实现

5．4．1 架构设计

5．4．2 功能实现

5．5 设施移动终端监控系统实现

5．6 小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

附录

致谢

攻读学位期间参加的科研项目及科研成果