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39700字硕士毕业论文农业技术硕士论文:精准农业无线传感器网络重要技术分析

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:39700字
论点:农业,传感器,精细
论文概述:

网络体系结构是进行实际应用系统设计的参考基础,针对面型农业的系统,阐述了系统的体系结构,采用分层面的设计方式。同时对实际的应用系统进行介绍,从硬件和软件两个方面给出系统的

论文正文:

第一章引言

1.1研究背景
1.1.1问题建议
农业是国民经济的基础,确保农业的可持续发展是世界各国需要解决的首要问题。中国是一个农业大国。从我国的情况来看,确保21世纪6亿人的粮食安全是我国农业生产需要解决的首要问题。在过去的20年里,农业和农村经济取得了长足的进步。然而,农业水土资源缺乏、施肥不合理、灌溉、农药施用等农业活动造成了大量资源浪费,污染了农田环境,农业装备和技术发展滞后,难以满足我国现代农业发展的需要。这是中国农业生产必须面对的挑战。在这种形式下,研究中国精细农业技术体系的建立,对于提高中国农业现代化水平,实现依靠科技进步解决“三农”问题具有重要意义。精细农业是中国现代农业发展的重要技术选择。农田是一种不可增加的自然资源。如何在有限的耕地资源基础上,借助先进的科学技术手段,提高耕地的生产效率、经济效益和环境效益,已成为我国必须解决的重大问题。目前,以现代信息技术和农业技术融合为特征的“农业”技术已经成为解决上述问题的关键支撑技术之一。其核心是利用信息技术准确及时地获取各地块的土壤、环境和作物信息,诊断空作物生长和产量差异的原因,为各地块做出决策,并准确进行灌溉、施肥、农药喷洒等。从而达到最大限度地提高水、肥、农药的利用效率,增加产量,减少环境污染,促进土地集约利用的目的。如何以低成本、低功耗和良好的环境适应性准确获取反映大面积农田的各种信息,是有效实施“三农”的关键技术。精细农业是基于信息和知识支持的现代农业(1)。其主要目的是获得作物生长的环境因素,这些因素在很大程度上决定了作物的产量和质量。这些因素通常包括:温度和湿度、含水量、风速和作物环境的方向。对于这些信息,在空和时间之间经常有差异。精细农业(Fine agriculture)是指指针区别对待上述信息,根据需要进行定位控制,也称为“配方农业”。
无线传感器网络WSN是20世纪末发展起来的一种无线自组织网络。它是物联网的一个关键组成部分,是目前世界上的一个研究热点。《美国商业周刊》和《麻省理工学院技术评论》在预测未来技术发展的报告中将无线传感器网络列为21世纪最具影响力的21项技术之一,也是改变世界的10项技术之一。WSN是传感器技术、嵌入式计算技术和通信技术的集成产品。它可以实时感知所需信息,实现对对象的实时监控,处理信息并传输给用户。因此,WSN可以更好地为精细农业服务,实现农业数字化管理。WSN能够准确获取作物的生长信息,即使信息反馈给用户,也为操作人员现场监控提供了依据。WSN可以大面积获取信息,为数字农业的高科技发展和农业资源与环境的协调发展提供了可行的技术平台,是一项重要的支撑技术。精细农业起源于欧美发达国家。这些国家对WSN在精细农业中的应用进行了大量的研究。早在1996年,美国29%的农业服务提供商使用全球定位系统提供网格采样,到2002年,他们提供了50%。美国普渡大学2007年的一项调查显示,76%的受访者使用某种精细农业技术,其中64%使用卫星或航空空图像数据。中国还对WSN在灌溉控制系统中的应用进行了研究。20世纪90年代初,中国科学家提出了中国精细农业的建议。其中,南开大学的游志刚给出了WSN精准灌溉智能监控框架,以及传感器网络系统级和节点级的设计方案。中国农业大学精细农业研究中心王谢华院士等根据农田环境的应用需求,设计了一套基于WSN的农田土壤温湿度监测系统,为精细农业空差异研究和灌溉估算决策提供了有效工具。总体而言,我国在精细农业方面的应用还处于初步研究和应用阶段,WSN在灌溉估算控制方面的应用还处于初级阶段。精细农业需要研究无线传感器网络数据传输的关键技术。

1.1.2研究的目的和意义
精准农业需要高密度、高速度和高精度的农田信息作为实施依据。然而,在精细农业中,远程信息的获取是目前亟待解决的难题。对于农田信息采集,大致经历了以下几个阶段:从最初的手工采集到实验室采样采集;随着传感器网络的出现,有线传感器网络采集已经应用于农业。随着传感器网络的发展,遥感采集和WSN采集是当前的发展趋势。与发达国家相比,我国利用WSN获取耕地信息仍处于起步阶段,与世界先进水平仍有一定差距。在利用WSN远程获取农田信息的过程中,必须结合具体应用的特点解决数据传输的关键问题。本文对WSN精细农业关键技术进行了研究,为WSN精细农业理论体系的建立和推广做出了有益的探索,为中国农业现代化做出了贡献。利用WSN技术解决农田信息收集和管理问题已成为研究热点之一。然而,目前主要研究集中在温室蔬菜大棚和水文检测领域的传感器网络设计。然而,对于无线传感器网络在大规模农田耕作领域的应用及其组织结构、节点定位、路由协议、节能策略和数据融合等方面还缺乏系统深入的研究。在这样的应用中,监测面积大,作物生长周期长,传感器节点数量多,信息来源多(各种土壤性质、环境性质和作物生长信息等)。)、不同的作物类型和地形以及复杂的天气条件对大规模无线传感器网络系统在农业中的应用提出了挑战。本项目旨在以低成本、低功耗和良好的环境适应性为目标,设计大型农业无线传感器网络的组织结构,并研究相应的节点定位和数据融合技术。摘要:建立了奥塔瓦设施农业两个应用环境领域的典型应用示范技术,并将WSN理论研究与实际应用相结合,为提高我国在该领域的核心竞争力做出有益探索。

第二章农业应用环境对无线信道传播特性的影响及模型研究

随着无线通信技术的发展和微芯片技术的进步,WSN无线传感器网络(Wireness SensorNetwork)作为一种全新的信息获取和处理方式,以其低功耗、低成本和强智能在农业领域得到了很好的应用。在实际应用中,由于农业应用环境的复杂性和多样性,本章将具体讨论果园裸地、平地和山地等典型环境,并研究典型环境对无线信道传播特性的影响。

2。1建模

2.1.1理论模型
本试验在嘉兴市果园进行,选择了三种果园类型:裸地、平地和山地。裸地是靠近平坦水果园的无作物空矿区,用于比较平坦和山地无线信道之间的路径损耗。平坦的地面是果园里的一块平坦的土地。结合嘉兴的实际地形,该山是果园中相对高差为50ni的一段。就作物因素而言,实验中选择的果园(包括平地和山地)枝叶相对密集,植物也达到了近3m的高度,这也增加了天线架设的难度。由于植物在不同选定环境中的生长基本相同,这为实验中丢包率和路径损耗的比较提供了更高的可靠性。此外,因为气候环境如光线、降雨量、温度等。在本测试中对无线信号传播没有很大影响,这些因素的影响被忽略。

第3章WSN精细农业结构.......30
3.1导言.......30
3.2 WSN结构.......30
3.2.1 ZigBee协议框架.......30
3。2.2 ZigBee网络拓扑.......33
3 . 2 . 3网状网络拓扑.......34
3.2.4 ZigBee安全管理.......37
3.3 WSN精细农业网络.......37
3.4本章摘要.......43
第4章精细农业WSN节点低.......45
4.1简介454.2本地化技术简介.......45
4.3典型定位算法和定位算法.......49
4.4改进的DV-Hop算法.......53
4.4.1节点硬件框图.......53
4.4.2改进的DV-Hop算法.......54
4.5本章摘要.......58
第5章WSN精细农业数据融合.......60
5.1导言.......60
5 . 1 . 1 WSN数据融合的意义.......60
5.2压缩感知相关理论.......62
5.2.1压缩感知.......62
5.2.2压缩传感理论发展.......64
5.3基于空 65之间相关性的分布式压缩感知

结论

本文旨在实现良好的环境适应性、低功耗、低成本和标准化。研究了精细农业无线传感器网络的关键技术,包括网络结构、组网模式、节点定位方法、数据融合方法、能量快速自给和节能策略,介绍了无线传感器网络系统的性能评估方法、物联网中间件设计方法、通用节点软硬件设计方法和典型应用系统。具体来说,主要表现在以下几个方面:
(1)农业应用环境对无线信道传播特性的影响及模型研究。根据不同的农业应用环境,分别在平地、裸地和山地进行了试验。综合分析比较不同信道频率下的丢包率、RSSI值和传输范围,得到信道衰减的经验模型,为不同应用环境下无线传感器网络的组织结构、路由协议和节点部署方法提供依据。
(2)精细农业WSN结构和组网模式研究在研究常见无线传感器网络结构和通信协议的基础上,特别是在分析紫蜂协议及其网络结构的基础上,针对设施农业和田间应用环境,设计了一种集群式无线传感器网络结构,提出了一种集群式有限自组网结构和组网模式,设计了一种跨双链通信模式,以提高农业无线传感器网络的通信可靠性。
(3)精细农业WSN节点低成本定位方法研究田间应用,对DV-Hop节点定位算法进行改进,通过四面测距定位公共节点,实现精细农业无线传感器网络的低成本定位,为定点施肥、灌溉等提供技术支持。
(4)精细农业WSN数据融合方法的研究旨在降低无线传感器网络中节点的通信量和功耗。采用基于空相关性的压缩感知理论融合节点数据,从而减少数据传输量,有效降低节点功耗。
(5)服务质量目标驱动的农业WSN系统评价策略考虑到农业无线传感器网络行业标准研究滞后的事实。结合精细农业应用需求,以网络服务质量为目标,建立了农业WSN系统架构,提出了精细农业应用的WSN系统评估策略,为农业无线传感器网络行业标准的制定提供参考。在此基础上,本章针对集群内的网络结构和跨双链通信模式,测试丢包率、网络延时、网络能耗、网络带宽等指标,并计算服务质量。结果表明,本文设计的网络结构和组网模式具有良好的服务质量指标。

参考
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