面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、農(nóng)田是不可增長(zhǎng)的自然資源，如何在有限的農(nóng)田資源基礎(chǔ)上，借助先進(jìn)的科技手段提高農(nóng)田的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益已經(jīng)成為我國(guó)必須解決的重大課題。以信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)融合為特點(diǎn)的“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)成為解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵，而利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田信息采集與管理，是目前農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究的熱點(diǎn)。
　　 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)于一體，具有易

2、布置、易控制、低功耗、通信靈活、低成本等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的公網(wǎng)通信技術(shù)不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是面向應(yīng)用的、以任務(wù)或數(shù)據(jù)為中心的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無(wú)法找到應(yīng)對(duì)各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的統(tǒng)一架構(gòu)。因此，需要依據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域和相關(guān)需求，設(shè)計(jì)優(yōu)化、適用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并研究相應(yīng)的組網(wǎng)技術(shù)、能量管理、數(shù)據(jù)管理與融合方法等。
　　 精細(xì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用具有作物類型與地勢(shì)多樣、天氣狀況復(fù)雜、監(jiān)測(cè)面積大、傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、各節(jié)點(diǎn)往往配置多源信息(各種土壤屬性、環(huán)境屬性與

3、作物生長(zhǎng)信息等)、農(nóng)作物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)為面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本論文以良好的環(huán)境適應(yīng)性、低功耗、低成本、標(biāo)準(zhǔn)化為目標(biāo)，以設(shè)施農(nóng)業(yè)與大田兩種應(yīng)用對(duì)象，研究了面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)方式、節(jié)點(diǎn)定位方法、數(shù)據(jù)融合方法、能量快速自給與節(jié)能策略，并介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法、面向物聯(lián)網(wǎng)的中間件設(shè)計(jì)方法、通用節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)方法與典型應(yīng)用系統(tǒng)。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：

4、r>　　 (1)首先從農(nóng)業(yè)應(yīng)用環(huán)境對(duì)無(wú)線信道傳播特性的影響出發(fā)，分別對(duì)裸地、平地和山地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，建立了無(wú)線信道傳播損耗模型，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)方式與不同應(yīng)用環(huán)境的節(jié)點(diǎn)部署方法提供了依據(jù)。
　　 (2)對(duì)面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式進(jìn)行了研究。針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)與大田的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，提出了分簇有限自組網(wǎng)的組網(wǎng)方式，并設(shè)計(jì)了雙鏈交叉通信的通信方式。
　　 (3)面向

5、大田應(yīng)用，提出用改進(jìn)的DV-Hop算法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，利用該算法采用四邊測(cè)距方式定位節(jié)點(diǎn)位置。針對(duì)農(nóng)業(yè)多源信息WSN終端節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于太陽(yáng)能MPPT的能量快速自給方法，并設(shè)計(jì)了傳感器間歇采樣、深度休眠的工作方式，有效增加了節(jié)點(diǎn)的供電可靠性。
　　 (4)數(shù)據(jù)融合是農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)，本文運(yùn)用了基于空間相關(guān)性的壓縮感知理論對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合；采用壓縮感知理論，減少了數(shù)據(jù)的傳輸量，有效地降低了節(jié)點(diǎn)能耗。
　

6、　 (5)目前，尚無(wú)面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)評(píng)價(jià)策略與評(píng)價(jià)方法，為面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供參考。
　　 (6)針對(duì)農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)低成本、標(biāo)準(zhǔn)化與方便數(shù)據(jù)管理的需要，設(shè)計(jì)了面向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的WSN中間件，并開發(fā)了軟硬件系統(tǒng)，針對(duì)大田灌溉、設(shè)施栽培環(huán)境監(jiān)控等進(jìn)行了應(yīng)用示范，結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技