基于无线传感器网络的设施农业环境自动监控系统研究

摘要

设施农业的核心是对设施内部环境能够有效调控，营造适于生物生长发育及农产品贮藏保鲜的最佳环境条件。因此，对设施农业环境自动监控系统设计与开发的研究具有重要的理论意义和应用价值。 现有的设施农业环境监控系统主要采用有线通信技术，如串行总线技术和现场总线技术进行通信。这种系统虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但存在稳定性差、可靠性低、部署困难、安装及维护成本高等不足，从而极大地限制了其在设施农业领域中的推广应用。作为一种新兴的网络技术，无线传感器网络（wirelesssensornetworks，WSN）具有精度高、灵活性强、可靠性好、价格低廉等优点，可以有效克服上述缺陷。因此，论文开展WSN在设施农业领域的应用研究。论文的主要工作和创新点如下： 1、分析了论文的选题背景和选题意义，综述了国内外相关研究现状，提出了论文的研究内容和论文结构。 2、提出了基于WSN的设施农业环境自动监控系统（WSN-FAEAM）的整体结构。WSN-FAEAM系统主要由WSN、Sink（汇节点或网关）、主干网和用户网络等组成。WSN由传感器节点以AdHoc方式组成。主干网主要是指GSM、Internet和卫星网络等。 3、提出了WSN-FAEAM系统的协议栈。该协议栈对IEEE802.15.4／ZigBee方案进行了改进。 4、研制了WSN-FAEAM系统的Sink，实现了传感器网络与主干网之间的透明互联。 5、研制了WSN-FAEAM系统的各种传感器节点和执行机构。所研制的节点遵循IEEEStd1451.0TM-2007和IEEEStd1451.5TM-2007标准。 6、提出了WSN-FAEAM系统的MAC层协议S-MAC+和路由协议MCFA+，并在TinyOS操作系统上，采用nesC语言编程实现了S-MAC+协议和MCFA+协议。进而，实现了WSN-FAEAM系统的协议栈。 7、建立了WSN-FAEAM系统中传感器节点的校正引擎，主要负责对各种传感数据进行静态误差补偿。 8、在MicrosoftVisualC++6.0、NationalInstrumentsLabVIEW8.6等环境下，开发了WSN-FAEAM系统的上位机管理软件，包括后台管理软件和数据管理软件两个子系统。 9、定义了WSN-FAEAM系统的安全框架，提出了WSN-FAEAM系统的安全机制和安全部署方案。 10、研制了WSN-FAEAM系统，该系统对农业设施内部生物生长发育的环境条件，实现了自动、远程、实时监控。 11、通过试验及实际运行，对所研制的WSN-FAEAM系统的性能进行了全面的分析。试验结果及实际运行效果表明：所研制的WSN-FAEAM系统实现了预期设计目标，具有精确度高、能耗小、成本低、稳定性强、鲁棒性好、扩展灵活及安装方便等优点，可以应用于温室、苗圃等区域，实现这些区域内部环境条件的远程、实时、自动监控。 最后，对论文的研究成果进行了总结，并对下一步的研究内容进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和选题意义

1.1.1研究背景

1.1.2选题意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 无线传感器网络研究现状

1.2.2无线传感器网络在设施农业领域的应用研究现状

1.2.3存在的主要问题分析

1.3课题来源与论文的主要研究内容

1.3.1研究目的及课题来源

1.3.2主要研究内容

1.4论文结构

1.5 小结

第2章 WSN-FAEAM系统的体系结构

2.1 WSN-FAEAM系统的基本功能

2.2 WSN-FAEAM系统的整体结构

2.3 WSN-FAEAM系统的协议栈

2.4论文后续各章与本章之间的关系

2.5小结

第3章 WSN-FAEAM系统的Sink设计与实现

3.1 无线传感器网络与主干网互联的主要方式

3.2利用VIP桥实现传感器网络与主干网的互联

3.2.1 VIP桥的基本思想

3.2.2集成的硬件系统架构

3.2.3 VIP桥的组成

3.2.4数据包格式描述

3.2.5数据包翻译器的工作流

3.3 WSN-FAEAM系统的网关实现

3.4 小结

第4章 WSN-FAEAM系统的节点设计与实现

4.1 WSN-FAEAM系统的传感器节点设计

4.1.1 WSN-FAEAM系统中传感器节点的主要类型

4.1.2 WSN-FAEAM系统中传感器节点的通用硬件框架

4.2 WSN-FAEAM系统的传感器节点实现

4.2.1影响传感器选型的主要因素

4.2.2 WSN-FAEAM系统中所选用的传感器

4.2.3 WSN-FAEAM系统的传感器节点结构

4.2.4传感器节点的TEDS设计

4.3 WSN-FAEAM系统的执行机构设计与实现

4.4小结

第5章 WSN-FAEAM系统的通信协议设计与实现

5.1 WSN-FAEAM系统的MAC层协议设计与实现

5.1.1 S-MAC协议介绍

5.1.2 S-MAC+协议

5.1.3 S-MAC+协议在TinyOS上的实现

5.2 WSN-FAEAM系统的路由协议设计与实现

5.2.1 MCFA协议介绍

5.2.2 MCFA+协议

5.2.3 MCFA+协议在TinyOS上的实现

5.3 小结

第6章 WSN-FAEAM系统的节点校正引擎设计与实现

6.1传感器节点校正补偿技术的分类

6.2 IEEE 1451校正引擎的数学模型

6.3传感器节点建模方法研究

6.3.1 基于插值的传感器节点建模方法

6.3.2基于线性回归的传感器节点建模方法

6.4 WSN-FAEAM系统中传感器节点的标定TEDS设计

6.4.1传感器节点的标定试验与校正引擎模型的建立

6.4.2传感器节点的标定TEDS设计

6.5 小结

第7章 WSN-FAEAM系统的上位机管理软件设计与开发

7.1 WSN-FAEAM系统的上位机管理软件概述

7.1.1 WSN-FAEAM系统的后台管理软件简介

7.1.2 WSN-FAEAM系统的数据管理软件简介

7.2 WSN-FAEAM系统后台管理软件设计与实现

7.2.1 WSN-FAEAM系统后台管理软件的程序结构

7.2.2 WSN-FAEAM系统后台管理软件的实现

7.3 WSN-FAEAM系统数据管理软件设计与实现

7.3.1 WSN-FAEAM系统数据管理软件设计

7.3.2 WSN-FAEAM系统的数据融合机制

7.3.3 WSN-FAEAM系统数据管理软件实现

7.4 小结

第8章 WSN-FAEAM系统的安全框架设计

8.1WSN-FAEAM系统的安全模型

8.2无线传感器网络的安全框架

8.2.1无线传感器网络的安全维

8.2.2无线传感器网络的威胁模型

8.2.3无线传感器网络安全维到威胁的映射

8.2.4无线传感器网络安全机制

8.2.5适合于无线传感器网络的安全技术

8.3小结

第9章 WSN-FAEAM系统的性能分析

9.1 WSN-FAEAM系统实现的功能

9.2试验方案设计

9.2.1 试验目的

9.2.2试验方案

9.3试验结果及其分析

9.4小结

第10章 结论与展望

10.1结论

10.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果