面向精准农场的通用化系统研究与实现

摘要

基于物联网技术的精准农业可以实现农业生产的精细化管理，节省投入获得经济和环境效益，是农业现代化重要的发展方向。当今农业物联网系统存在种类繁多、标准不统一和开发应用成本偏高等问题，阻碍了精准农业持续健康发展。因此如何针对农业物联网制定通用化系统架构规范以及设计低成本且可靠性高的物联网通用化设备显得尤为紧要。本论文基于对系统设计模型、RS485总线访问控制策略、ZigBee网络群组控制策略、通用化设备平台设计等方面的研究，设计并实现了一套满足系统管理模块化、系统容量最大化以及设备分类化要求的通用化物联网系统。
　　论文主要做了以下几方面的工作:
　　(1)研究了农场物联网系统的需求，提出了系统管理模块化、系统容量最大化以及设备分类化三方面通用化系统特征及通用化系统的解决方案。针对精准农场通用化系统所需要解决的最小单元划分的问题，提出基于物联网体系结构参考模型的“端-端”物联网系统设计模型。
　　(2)提出三类应用于不同场景的主被动型RS485总线访问控制策略，解决大系统容量条件下有线物联装置响应速率低的问题，提高不同条件下有线物联装置的并发响应速率。
　　(3)提出基于动态组播的ZigBee网络群组控制策略，解决大系统容量条件下无线物联装置响应速率低的问题，提高不同条件下无线物联装置的并发响应速率。
　　(4)应用以上方案完成精准农场通用化系统的构建。部署网关嵌入式Web服务器，设计网关服务软件模块，开发ZigBee通用化硬件设备平台。并对系统设备进行硬件指标评估及网关服务访问接口的黑盒测试。
　　经系统测试与运行验证，本文提出的“端-端”系统设计模型优化了精准农场物联网系统的组织架构;基于改进型CSMA/CA总线访问控制策略、基于分步检测的总线访问控制策略以及基于频次检测TDMA的总线访问控制策略在不同的应用场景提高了有线物联装置的并发响应速率;基于动态组播的ZigBee网络群组控制策略提高了无线物联装置的并发响应速率;本文设计的通用化软硬件平台减少了重复开发率，降低开发、生产、安装成本。本文设计的系统实现了精准农场的通用化系统所要求的系统管理的模块化，设备平台的分类化以及系统容量的最大化的特点。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景和意义

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 本文的研究内容

1．4 本文的章节安排

2 精准农场通用化系统需求分析与设计模型

2．1 精准农场通用化系统需求分析

2．1．1 典型农场物联网系统业务需求

2．1．2 精准农场通用化系统特点

2．1．3 精准农场通用化系统解决策略

2．2 物联网体系结构参考模型

2．3 精准农场系统设计模型

2．3．1 “中心-端”设计模型

2．3．2 “中心-区域”设计模型

2．3．3 “端-端”设计模型

2．3．4 评估对比结果

2．4 本章小结

3 精准农场通用化系统总线访问策略的研究

3．1 问题的提出

3．2 基于分步检测的总线访问控制策略

3．3 基于频次检测TDMA的总线访问控制策略

3．4 基于改进型CSMA／CA的总线访问控制策略

3．5 总线访问控制策略的验证与分析

3．5．1 站点响应时间改善情况分析

3．5．2 三类策略响应情况分析

4 精准农场通用化系统ZigBee群组控制策略的研究

4．1 问题的提出

4．2 基于队列循环的群组控制策略

4．3 基于动态组播的群组控制策略

4．4 群组控制策略的验证与分析

4．4．1 无故障节点条件下响应时间对比分析

4．4．2 存在故障节点条件下响应时间对比分析

5 精准农场通用化系统的实现与运行测试

5．1 系统最小单元的接口协议设计

5．1．1 网关中间服务软件接口设计

5．1．2 协议规划

5．2 物联网网关设计

5．2．1 物联网网关功能需求

5．2．2 物联网网关服务软件设计

5．3 ZigBee网络系统设计

5．3．1 问题的提出及其解决方案

5．3．2 ZigBee网络拓扑设计

5．3．3 ZigBee网络设备设计

5．4 精准农场通用化系统测试与分析

5．4．1 采集设备指标评估与分析

5．4．2 控制设备指标评估与分析

5．4．3 网关Web管理页面运行测试

5．4．4 网关远程服务访问接口测试

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献