无线传感器网络技术在设施农业中的研究与应用

摘要

设施农业是采用具有特定结构和性能的工程和管理技术改造局部环境，以期充分利用土壤、气候和生物潜能，在一定程度上摆脱对自然环境依赖而进行的高效农业生产。农业信息监测是设施农业的重要基础，主要内容是通过现代信息技术采集作物生长情况、环境气候、土壤肥力等信息，为设施农业管理提供决策依据。
　　 农业具有区域分散、地形复杂、需要周期性耕作的特点，不利于采用有线网络采集农业信息。无线传感器网络技术从上世纪70年代起步，经历了从军事研究到民用领域的发展。近距离、低功耗、自组网、低成本等优点使其具有在农业信息监测领域的天然优势。因此，课题选择无线传感器网络技术为主要研究内容，旨在设计一个方便、实用的农业信息监测系统。
　　 根据农业信息监测系统的具体需求，本课题对无线传感器网络中的嵌入式、无线短距离通信、Android平台及灰色系统等技术在设施农业中的应用进行了应用性研究，并在设施农业环境中实现了农业环境信息的采集、查询和对环境机构的控制。采集和查询的信息包括农业环境中的空气温度、湿度、光照度、C02浓度、土壤相对湿度和实时视频等，通过灰色系统对监测数据的准确性进行判断。为了便于农业信息管理，系统开发了一台基于Android平台技术的移动管理终端，可以实现实时信息查询、远程控制、历史数据查询和视频查看等功能。
　　 课题设计了多组试验，分别测试了射频模块的信号强度与通信距离、能量效率优化效果、移动管理终端丢包率、灰色系统的准确度等指标。试验结果表明，自主设计的射频模块在空旷环境下通信距离可以达到56米，能量优化后中继节点能量效率有较大提高，移动终端丢包率在7％以内，灰色系统具有较好的准确度。
　　 本课题技术在江苏句容现代农业产业园进行了实地运行，结果表明，方案设计合理，技术指标及功能稳定，适用于设施农业信息监测领域。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 无线传感器网络的发展概况

1．3 无线传感器网络在农业中的研究现状

1．3．1 国外研究应用现状

1．3．2 国内研究应用现状

1．4 研究目标和技术路线

1．4．1 研究目标和课题来源

1．4．2 技术路线

第二章 硬件系统设计

2．1 节点硬件设计

2．1．1 最小系统

2．1．2 射频电路

2．1．3 外围电路

2．1．4 动态电源管理

2．2 传感器信号调理电路

2．3 网关的设计

2．4 移动终端的选择

2．5 控制机构和无线网桥

2．6 硬件系统试验

2．7 本章小结

第三章 软件系统设计

3．1 软件系统总体框架

3．2 无线传感器网络协议

3．2．1 物理层

3．2．2 介质访问控制层

3．2．3 网络层

3．2．4 应用层

3．3 传感器信息采集

3．4 数据传输协议和校验

3．5 协调器及异构网络传输

3．5．1 协调器节点

3．5．2 异构网络传输

3．6 移动终端设计

3．7 灰色模型

3．8 软件系统试验

3．8．1 移动终端性能测试

3．8．2 灰色模型的准确度测试

3．9 本章小结

第四章 WSN任务机制和路由策略的研究

4．1 任务调度机制

4．2 路由策略

4．2．1 应用环境和节点部署

4．2．2 能耗模型

4．2．3 效益函数

4．2．4 参数获取

4．2．5 博弈步骤

4．3 本章小结

第五章 系统实现及试验结果分析

5．1 系统实现

5．1．1 网络访问

5．1．2 移动管理终端

5．2 试验及分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 问题与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果