面向精細農業(yè)的無線傳感器網絡關鍵技術研究.pdf

1、農田是不可增長的自然資源，如何在有限的農田資源基礎上，借助先進的科技手段提高農田的生產效率、經濟效益與環(huán)境效益已經成為我國必須解決的重大課題。以信息技術與農業(yè)技術融合為特點的“精細農業(yè)”技術成為解決以上問題的關鍵，而利用無線傳感器網絡(WSN)技術進行農田信息采集與管理，是目前農業(yè)信息技術研究的熱點。
　　 無線傳感器網絡技術集傳感器技術、微機電系統(tǒng)技術(MEMS)、無線通信技術、嵌入式計算技術和分布式信息處理技術于一體，具有易

2、布置、易控制、低功耗、通信靈活、低成本等特點。與傳統(tǒng)的公網通信技術不同，無線傳感器網絡是面向應用的、以任務或數據為中心的無線網絡技術，無法找到應對各種不同應用領域的統(tǒng)一架構。因此，需要依據不同應用領域和相關需求，設計優(yōu)化、適用的無線網絡結構，并研究相應的組網技術、能量管理、數據管理與融合方法等。
　　 精細農業(yè)應用具有作物類型與地勢多樣、天氣狀況復雜、監(jiān)測面積大、傳感器節(jié)點數量多、各節(jié)點往往配置多源信息(各種土壤屬性、環(huán)境屬性與

3、作物生長信息等)、農作物生長周期長等特點，這些特點為面向精細農業(yè)的無線傳感器網絡技術研究帶來了挑戰(zhàn)。本論文以良好的環(huán)境適應性、低功耗、低成本、標準化為目標，以設施農業(yè)與大田兩種應用對象，研究了面向精細農業(yè)的無線傳感器網絡關鍵技術，包括網絡結構、組網方式、節(jié)點定位方法、數據融合方法、能量快速自給與節(jié)能策略，并介紹了無線傳感器網絡系統(tǒng)性能評價方法、面向物聯(lián)網的中間件設計方法、通用節(jié)點軟硬件設計方法與典型應用系統(tǒng)。主要研究內容和成果如下：

4、r>　　 (1)首先從農業(yè)應用環(huán)境對無線信道傳播特性的影響出發(fā)，分別對裸地、平地和山地進行了實驗，建立了無線信道傳播損耗模型，為無線傳感器網絡的組織結構、組網方式與不同應用環(huán)境的節(jié)點部署方法提供了依據。
　　 (2)對面向精細農業(yè)的無線傳感器網絡組織結構和組網方式進行了研究。針對設施農業(yè)與大田的實際應用環(huán)境，設計了無線傳感器網絡系統(tǒng)架構，提出了分簇有限自組網的組網方式，并設計了雙鏈交叉通信的通信方式。
　　 (3)面向

5、大田應用，提出用改進的DV-Hop算法對節(jié)點進行定位，利用該算法采用四邊測距方式定位節(jié)點位置。針對農業(yè)多源信息WSN終端節(jié)點，設計了基于太陽能MPPT的能量快速自給方法，并設計了傳感器間歇采樣、深度休眠的工作方式，有效增加了節(jié)點的供電可靠性。
　　 (4)數據融合是農業(yè)無線傳感器網絡系統(tǒng)的重要支撐技術，本文運用了基于空間相關性的壓縮感知理論對節(jié)點數據進行融合；采用壓縮感知理論，減少了數據的傳輸量，有效地降低了節(jié)點能耗。
　

6、　 (5)目前，尚無面向精細農業(yè)的無線傳感器網絡系統(tǒng)行業(yè)標準，本文在上述研究的基礎上，設計了網絡服務質量目標驅動的農業(yè)無線傳感器網絡系統(tǒng)評價策略與評價方法，為面向精細農業(yè)的無線傳感器網絡系統(tǒng)行業(yè)標準的建立提供參考。
　　 (6)針對農業(yè)無線傳感器網絡系統(tǒng)低成本、標準化與方便數據管理的需要，設計了面向農業(yè)物聯(lián)網的WSN中間件，并開發(fā)了軟硬件系統(tǒng)，針對大田灌溉、設施栽培環(huán)境監(jiān)控等進行了應用示范，結果表明，本文設計的無線傳感器網絡技