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)了較長時間，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型設(shè)施長期高溫，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)存在的問題提供了新的途徑。廣大研究者圍繞這個方向進(jìn)行了積極研究，取得了一些成果，但仍存在不少問題，如:多數(shù)集中于應(yīng)用示范，有針對性的設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)理論研究不多，適合設(shè)施環(huán)境的高效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議較少，無線化并不徹底，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，同時，普遍側(cè)重設(shè)施環(huán)境信息的無線采集，上位機(jī)平臺

3、的研究與開發(fā)重視不夠。本課題針對這些問題，以設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)作為切入點(diǎn)，在國家863項目以及多項省部級課題的支持下，展開了研究。主要工作如下:
　　(1)通過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)場監(jiān)控層的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(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，作為整個系統(tǒng)對外提供服務(wù)的窗口，由應(yīng)用服務(wù)中間件、Web監(jiān)控平臺和移動終端監(jiān)控系統(tǒng)等三部分組成。
　　(2)選擇433Mhz作為現(xiàn)場監(jiān)控層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信頻段，設(shè)計了射頻模塊、無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、無線控制節(jié)點(diǎn)和異構(gòu)網(wǎng)關(guān);測定了無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的發(fā)射電流、接收電流、發(fā)送數(shù)據(jù)時間和接收數(shù)據(jù)

5、時間等關(guān)鍵參數(shù);通過放電試驗獲得了堿性電池的初始容量，給出了適用于本課題的安時積分法電池容量估計公式;運(yùn)用高斯濾波平滑了接收信號的RSSI值;結(jié)合惠更斯-菲涅耳原理分析了433Mhz無線電波的設(shè)施環(huán)境傳播特性;在番茄溫室中進(jìn)行了無線電波傳播試驗，運(yùn)用線性回歸方法針對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)境的無線電波傳播模型，驗證樣本的驗證結(jié)果顯示，兩個方向的模型預(yù)測誤差均在7％以內(nèi)，表明模型具有較高的預(yù)測精度，可用于設(shè)施環(huán)境43

6、3Mhz射頻信號的衰減預(yù)測。
　　(3)設(shè)計了適用于設(shè)施環(huán)境監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，著重研究了MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計方法。在MAC層，給出了結(jié)合DTMS和TPSN的時間同步機(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，通過估算網(wǎng)絡(luò)的理論極限壽命，給出了簇首輪換周期的計算方法。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強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了簇間多跳定向路由。Matlab仿真試驗表明，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，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)時固定分簇協(xié)議的優(yōu)勢更加明顯，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)控場合數(shù)據(jù)融合的必要，提出一種適合設(shè)施無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合模型。在數(shù)據(jù)級，圍繞冪均方融合法，提出了一種新型支持度函數(shù)，現(xiàn)場試驗分析表明，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)無顯著差異，但運(yùn)算時間縮短83.6％，并且融合效果優(yōu)于算術(shù)平均法;在決策級，采用機(jī)理法建立了冬季溫室加熱系統(tǒng)模型，通過黑箱實(shí)驗法獲得了

9、模型參數(shù)，基于內(nèi)?？刂扑枷朐O(shè)計了PID控制器，運(yùn)用魯棒控制理論確定了內(nèi)模控制器的濾波器參數(shù)，使得PID控制對模型參數(shù)的變動有較強(qiáng)的適應(yīng)性，引入傳統(tǒng)的Bang-Bang控制縮短了魯棒IMC-PID的上升時間。
　　(5)針對物聯(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)計了應(yīng)用服務(wù)中間件作為應(yīng)用服務(wù)平臺的網(wǎng)關(guān)，協(xié)調(diào)Web監(jiān)控平臺和移動終端監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)控層的通信;基于

10、Flex技術(shù)設(shè)計了Web監(jiān)控平臺，并在該平臺中嵌入了Unity3D設(shè)計動態(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)的動作同步，通過FluorineFx網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了Flex與SQL數(shù)據(jù)庫的通信;引入云計算技術(shù)，將應(yīng)用服務(wù)中間件和Web監(jiān)控平臺部署于云服務(wù)器中，保證了應(yīng)用服務(wù)平臺的穩(wěn)定可靠;設(shè)計了android平臺的設(shè)施環(huán)境監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)移動平臺的了實(shí)時數(shù)據(jù)獲取、歷史曲線查看、遠(yuǎn)程機(jī)構(gòu)控制和現(xiàn)場實(shí)時視頻等功能。
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