基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、設(shè)施農(nóng)業(yè)融合了現(xiàn)代工程技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)的重要成果，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要標(biāo)志。環(huán)境監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、高效化最為重要的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)設(shè)施環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取與傳輸主要依靠有線網(wǎng)絡(luò)，這種模式的設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)施監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展歷程中占據(jù)了較長(zhǎng)時(shí)間，直到現(xiàn)在仍舊發(fā)揮著重要作用。但是，有線設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)部署困難、安裝維護(hù)成本高，并且由于設(shè)施環(huán)境潮濕，土壤及空氣具有較高的酸堿性以及部分類(lèi)型設(shè)施長(zhǎng)期高溫，容易導(dǎo)致通信電纜老化，從而

2、降低系統(tǒng)的可靠性。
　　近年流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有全面感知、可靠傳遞和智能處理的特性，為解決傳統(tǒng)有線設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題提供了新的途徑。廣大研究者圍繞這個(gè)方向進(jìn)行了積極研究，取得了一些成果，但仍存在不少問(wèn)題，如:多數(shù)集中于應(yīng)用示范，有針對(duì)性的設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)理論研究不多，適合設(shè)施環(huán)境的高效無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議較少，無(wú)線化并不徹底，控制部分絕大多數(shù)采用有線方式實(shí)現(xiàn)，不能充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，普遍側(cè)重設(shè)施環(huán)境信息的無(wú)線采集，上位機(jī)平臺(tái)

3、的研究與開(kāi)發(fā)重視不夠。本課題針對(duì)這些問(wèn)題，以設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)作為切入點(diǎn)，在國(guó)家863項(xiàng)目以及多項(xiàng)省部級(jí)課題的支持下，展開(kāi)了研究。主要工作如下:
　　(1)通過(guò)研究比較目前已有的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，結(jié)合設(shè)施監(jiān)控應(yīng)用的特點(diǎn)，確立了物聯(lián)網(wǎng)型設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的體系架構(gòu)，該架構(gòu)分為四層:第一層是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層，主要負(fù)責(zé)環(huán)境信息采集、物理機(jī)構(gòu)控制以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況視頻的獲取;第二層是異構(gòu)接入層，主要負(fù)責(zé)管理現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層與其它

4、各層的數(shù)據(jù)交換，以及本地緩存和處理接收的設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù);第三層是數(shù)據(jù)傳輸層，主要作為應(yīng)用服務(wù)層與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層和異構(gòu)接入層之間數(shù)據(jù)傳遞媒介;第四層是應(yīng)用服務(wù)層，作為整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外提供服務(wù)的窗口，由應(yīng)用服務(wù)中間件、Web監(jiān)控平臺(tái)和移動(dòng)終端監(jiān)控系統(tǒng)等三部分組成。
　　(2)選擇433Mhz作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信頻段，設(shè)計(jì)了射頻模塊、無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)和異構(gòu)網(wǎng)關(guān);測(cè)定了無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射電流、接收電流、發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間和接收數(shù)據(jù)

5、時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù);通過(guò)放電試驗(yàn)獲得了堿性電池的初始容量，給出了適用于本課題的安時(shí)積分法電池容量估計(jì)公式;運(yùn)用高斯濾波平滑了接收信號(hào)的RSSI值;結(jié)合惠更斯-菲涅耳原理分析了433Mhz無(wú)線電波的設(shè)施環(huán)境傳播特性;在番茄溫室中進(jìn)行了無(wú)線電波傳播試驗(yàn)，運(yùn)用線性回歸方法針對(duì)平行于植株行方向和垂直于植株行方向建立了設(shè)施環(huán)境的無(wú)線電波傳播模型，驗(yàn)證樣本的驗(yàn)證結(jié)果顯示，兩個(gè)方向的模型預(yù)測(cè)誤差均在7％以?xún)?nèi)，表明模型具有較高的預(yù)測(cè)精度，可用于設(shè)施環(huán)境43

6、3Mhz射頻信號(hào)的衰減預(yù)測(cè)。
　　(3)設(shè)計(jì)了適用于設(shè)施環(huán)境監(jiān)控的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，著重研究了MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)方法。在MAC層，給出了結(jié)合DTMS和TPSN的時(shí)間同步機(jī)制，以及綜合TDMA和CSMA-CA的實(shí)用化沖突避免方法。在網(wǎng)絡(luò)層，針對(duì)現(xiàn)代溫室的實(shí)際情況，提出了一種基于虛擬網(wǎng)格的固定分簇方法。首次利用射頻傳播模型以及文中提出的定理估算了節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)格中心的遠(yuǎn)近情況，綜合節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息，形成了新型最優(yōu)簇首選舉策略，增

7、添次優(yōu)簇首提高了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。新簇首的選舉由上輪的最優(yōu)簇首確定，通過(guò)估算網(wǎng)絡(luò)的理論極限壽命，給出了簇首輪換周期的計(jì)算方法。利用已知的網(wǎng)格坐標(biāo)信息，綜合考慮鄰居網(wǎng)格簇首的剩余能量和信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了簇間多跳定向路由。Matlab仿真試驗(yàn)表明，文中提出的固定分簇協(xié)議在節(jié)點(diǎn)同構(gòu)并且網(wǎng)關(guān)距離網(wǎng)絡(luò)較遠(yuǎn)（大于87m）時(shí)，生存期內(nèi)的簇首輪換次數(shù)相比Leach協(xié)議減少一半，但壽命卻明顯增加，而網(wǎng)關(guān)位置固定節(jié)點(diǎn)異構(gòu)時(shí)固定分簇協(xié)議的優(yōu)勢(shì)更加明顯，在能耗異構(gòu)情

8、況下網(wǎng)絡(luò)壽命相比Leach協(xié)議增加1倍，能量異構(gòu)時(shí)增加大約2倍，幾乎接近理論極限壽命。
　　(4)基于設(shè)施監(jiān)控場(chǎng)合數(shù)據(jù)融合的必要，提出一種適合設(shè)施無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合模型。在數(shù)據(jù)級(jí)，圍繞冪均方融合法，提出了一種新型支持度函數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析表明，新型支持度函數(shù)的冪均方融合精度與高斯型支持度函數(shù)無(wú)顯著差異，但運(yùn)算時(shí)間縮短83.6％，并且融合效果優(yōu)于算術(shù)平均法;在決策級(jí)，采用機(jī)理法建立了冬季溫室加熱系統(tǒng)模型，通過(guò)黑箱實(shí)驗(yàn)法獲得了

9、模型參數(shù)，基于內(nèi)?？刂扑枷朐O(shè)計(jì)了PID控制器，運(yùn)用魯棒控制理論確定了內(nèi)?？刂破鞯臑V波器參數(shù)，使得PID控制對(duì)模型參數(shù)的變動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，引入傳統(tǒng)的Bang-Bang控制縮短了魯棒IMC-PID的上升時(shí)間。
　　(5)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)型設(shè)施環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)，借鑒TCP協(xié)議的握手機(jī)制，給出了UDP通信協(xié)議的實(shí)用可靠性保證方法;設(shè)計(jì)了應(yīng)用服務(wù)中間件作為應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)，協(xié)調(diào)Web監(jiān)控平臺(tái)和移動(dòng)終端監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層的通信;基于

10、Flex技術(shù)設(shè)計(jì)了Web監(jiān)控平臺(tái)，并在該平臺(tái)中嵌入了Unity3D設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)虛擬溫室，采用Javascript實(shí)現(xiàn)了物理機(jī)構(gòu)與虛擬機(jī)構(gòu)的動(dòng)作同步，通過(guò)FluorineFx網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了Flex與SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的通信;引入云計(jì)算技術(shù)，將應(yīng)用服務(wù)中間件和Web監(jiān)控平臺(tái)部署于云服務(wù)器中，保證了應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的穩(wěn)定可靠;設(shè)計(jì)了android平臺(tái)的設(shè)施環(huán)境監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取、歷史曲線查看、遠(yuǎn)程機(jī)構(gòu)控制和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻等功能。
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