面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究

摘要

农田是不可增长的自然资源，如何在有限的农田资源基础上，借助先进的科技手段提高农田的生产效率、经济效益与环境效益已经成为我国必须解决的重大课题。以信息技术与农业技术融合为特点的“精细农业”技术成为解决以上问题的关键，而利用无线传感器网络(WSN)技术进行农田信息采集与管理，是目前农业信息技术研究的热点。
　　 无线传感器网络技术集传感器技术、微机电系统技术(MEMS)、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，具有易布置、易控制、低功耗、通信灵活、低成本等特点。与传统的公网通信技术不同，无线传感器网络是面向应用的、以任务或数据为中心的无线网络技术，无法找到应对各种不同应用领域的统一架构。因此，需要依据不同应用领域和相关需求，设计优化、适用的无线网络结构，并研究相应的组网技术、能量管理、数据管理与融合方法等。
　　 精细农业应用具有作物类型与地势多样、天气状况复杂、监测面积大、传感器节点数量多、各节点往往配置多源信息(各种土壤属性、环境属性与作物生长信息等)、农作物生长周期长等特点，这些特点为面向精细农业的无线传感器网络技术研究带来了挑战。本论文以良好的环境适应性、低功耗、低成本、标准化为目标，以设施农业与大田两种应用对象，研究了面向精细农业的无线传感器网络关键技术，包括网络结构、组网方式、节点定位方法、数据融合方法、能量快速自给与节能策略，并介绍了无线传感器网络系统性能评价方法、面向物联网的中间件设计方法、通用节点软硬件设计方法与典型应用系统。主要研究内容和成果如下：
　　 (1)首先从农业应用环境对无线信道传播特性的影响出发，分别对裸地、平地和山地进行了实验，建立了无线信道传播损耗模型，为无线传感器网络的组织结构、组网方式与不同应用环境的节点部署方法提供了依据。
　　 (2)对面向精细农业的无线传感器网络组织结构和组网方式进行了研究。针对设施农业与大田的实际应用环境，设计了无线传感器网络系统架构，提出了分簇有限自组网的组网方式，并设计了双链交叉通信的通信方式。
　　 (3)面向大田应用，提出用改进的DV-Hop算法对节点进行定位，利用该算法采用四边测距方式定位节点位置。针对农业多源信息WSN终端节点，设计了基于太阳能MPPT的能量快速自给方法，并设计了传感器间歇采样、深度休眠的工作方式，有效增加了节点的供电可靠性。
　　 (4)数据融合是农业无线传感器网络系统的重要支撑技术，本文运用了基于空间相关性的压缩感知理论对节点数据进行融合；采用压缩感知理论，减少了数据的传输量，有效地降低了节点能耗。
　　 (5)目前，尚无面向精细农业的无线传感器网络系统行业标准，本文在上述研究的基础上，设计了网络服务质量目标驱动的农业无线传感器网络系统评价策略与评价方法，为面向精细农业的无线传感器网络系统行业标准的建立提供参考。
　　 (6)针对农业无线传感器网络系统低成本、标准化与方便数据管理的需要，设计了面向农业物联网的WSN中间件，并开发了软硬件系统，针对大田灌溉、设施栽培环境监控等进行了应用示范，结果表明，本文设计的无线传感器网络技术较好地满足了精细农业应用需求，软硬件皆方便系统集成，适合标准化需求与大规模推广。