一种适用于野外遥感实验的无线数据终端系统的设计与实现

摘要

随着无线传感器网路技术的飞速发展，依靠无线传感器网络进行信息采集和动态监测的技术在小区安保、智能家具、危险区域信号采集、智能交通等领域得到了广泛的应用并创造巨大的经济价值和社会价值。
　　中国科学院遥感与数字地球研究所环境健康遥感研究室、国家林业局“湿地生态系统评价试点示范应用”项目组联合组织野外遥感实验团队，在完成四川若尔盖、呼伦贝尔、扎陵湖等地区的遥感系列科学实验中遇到诸如温度、湿度、高海拔气压、风速等自然环境的复杂变化导致部分科研人员身体不适，导致部署 GPS控制点的一些同学迷路，饱受饥寒交迫之苦。严重影响了科研人员的身体健康，使科研实验工作受阻。急需一种简便易携带的集大气参数实时采集分析、天气预报、健康参数信息实时采集监测分析及运动轨迹信息实时采集监测分析于一体的适用于野外遥感实验的无线数据终端系统。
　　本课题是在上述背景下提出的，目的在于搭建基于 Zigbee的适用于野外遥感的无线数据终端系统，改进传统的地理空间路径距离算法，为提高科研人员的野外工作效率，改进科研方法，保证安全，提高科研效果提供了完整的解决方案。
　　本文的贡献之一是设计并实现一种适用于野外遥感实验的无线数据终端系统。首先通过分析科研人员野外工作实验的环境复杂且变化缓慢、时间周期长、科研人员身体状况易受影响等客观条件，并根据 Zigbee无线传感器网络的技术特点，完成对大气参数采集传感器、健康参数采集传感器、地理位置信息采集传感器、Zigbee无线收发模块的采购和信号的整合；然后根据WPF、Bing maps等软件技术，依托改进的地理空间路径距离计算算法完成系统软件各个模块的设计与实现，并考虑天气的原因调用中央气象台的Web Service服务完成天气预报功能；最后完成硬件模块和软件模块的总体设计和系统的集成。
　　本文的贡献之二是利用小区域范围内经线和纬线是垂直的的属性推导出了一种地理空间路径距离计算算法，暂且叫做 NewRemoteGeo算法。在对传统的基于立体几何球面模型的地理空间路径距离计算算法和Apache lucene的spatial4j工具包中的Haversine算法研究分析的基础上，针对它们存在的计算精度差、计算性能不好、算法复杂等问题，结合适用于野外遥感实验的无线数据终端系统对地理空间路径距离的计算点对数目多、精度高、频度大的具体应用要求，利用小区域范围内经线和纬线是垂直的的属性推导出了一种地理空间路径距离计算算法—NewRemoteGeo算法，该算法在不失精度的情况下，优化和提高了计算性能。
　　本文设计和实现的适用于野外遥感实验的无线数据终端系统已经在中国科学院遥感与数字地球研究所野外遥感科研实验中得到了实际的应用，并推广应用到了其它行业领域。并为此搭建了历史数据数据库，方便对历史数据的分析查看。经过实际的运用和测试，该适用于野外遥感实验的无线数据终端系完全满足野外科研人员的需求，为科研人员及时避险、调节身体状况和制定科研计划提供了有效的数据，解决了科研人员在野外遇到的诸多不安全问题。相比其他的野外环境监测系统在便携性、持久性、准确性等方面具有明显的优势。

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1 绪论

1.1 项目的背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 本文研究的目的与内容

1.4 论文的结构框架

2 相关技术介绍

2.1 WPF技术

2.2 无线传感器网络技术

2.3 Zigbee技术

2.4 NEMA-0183协议

2.5 几种无线通信技术的对比分析

2.6 经典地理空间距离路径算法

2.7 本章小结

3 适用于野外遥感实验的无线数据终端系统的设计与实现

3.1 系统开发背景

3.2 系统设计原则

3.3 系统总体架构设计

3.4 基于Mysql和HBase的数据流设计

3.5 系统工作流程

3.6 系统主要模块的实现

3.7 压力测试

3.8 遇到的问题

3.9 系统使用情况分析

3.10本章小结

4 基于经典地理空间路径距离算法优化改进的NewRemoteGeo算法的设计与实现

4.1 NewRemoteGeo算法的理论推导

4.2 三种地理空间路径距离算法算法流程图对比分析

4.3 代码实现

4.4 三种地理空间路径距离算法的实验结果与分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文与参加的项目