基于物联网的设施农业远程智能化信息监测系统的开发

摘要

本课题来源于山西省农业科学院果树研究所农业物联网建设项目。本项目是针对当前农业生产的监管力度差、现场设施农业智能化程度低、劳动力投入大等问题而提出的。根据山西省农科院果树研究所的现场调研情况及所提出的功能要求，开发了一套集传感器技术、无线通讯技术、远程智能监测技术于一体，适用于农田、果林等大型户外种植基地的物联网设施农业远程智能监测系统。该系统可有效提高作物品质、减轻劳动强度，实现现场环境参数的远程监测，为种植管理人员提供合理建议。　　近十年来，我国设施农业的自动化程度显著提高，诸如温室内的大型自动化控制系统开发已取得显著成就，但农田、果林等户外农业基地仍然依靠传统经验进行种植，自动化与智能化程度低，作物生长环境缺乏有效的监测监管，水肥投放没有合理的量化指标，致使劳动力投入大，造成资源浪费和环境污染。因此开发基于物联网的设施农业远程智能监测系统具有重要的现实意义。针对现有问题，本文以山西省果树研究所种植基地为研究对象，对无线传感网络、数据传输网络、综合服务平台、分析处理软件进行了系统研究。主要研究内容如下：　　通过查阅文献及现场实际调研，深入了解农业现场监测的需求；分析了物联网及设施农业监测系统的发展趋势，制定了符合实际要求的系统性能指标；设计了系统的总体方案，结合传感器技术、无线通信技术、组态监测技术等，构建了物联网系统的三层架构。　　针对农业现场的复杂环境，根据监测对象分析了系统监测量，配置了传感器的类型，并进行模拟量采集模块的选型，完成了系统感知层的搭建；设计了以 Zigbee为节点单元的无线传感网络的近距离局域网，并通过与GPRS远距离无线通信广域网的异构融合，实现了与INTERNET的连接，突破了地域限制，完成了农业现场环境参数的远程智能监测。　　基于Kingview6.55WEB平台开发了应用层信息监测中心，设计了信息中心监测主界面，可实现现场信息实时监测、异常数据报警提醒、综合信息汇总等功能；设计了ACCESS系统数据库，可实现数据的灵活存储及调用。人机界面美观、交互性好、信息丰富、功能齐全。提出了适用于农作物健康状态的模糊综合评判方法，根据年平均温度、年平均降水量、年日照时数等重要参数，建立了作物健康等级评估算法，实现了感知层数据的智能化处理与应用。　　基于规则化方法，分析了无线传感网络的节点部署策略；以OPNET为仿真平台，建立了Zigbee节点模型；依据现场实际环境，搭建了树状拓扑和 Mesh型拓扑路由的仿真模型；在现场进行了天线的高度与信号强度试验，分析了发射天线高度、接收天线高度与无线信号传播距离的关系。通过理论、仿真及试验，为现场无线传感网络的节点合理部署提供了依据。　　在实验室对系统的性能进行了测试，测试项目包括远程监测效果、信息采集精度及系统整体联调。系统试验与调试结果表明：系统感知层布局合理、结构紧凑，网络层通信可靠、性能稳定，应用层功能丰富、界面美观、数据处理智能化、可操作性强，满足系统设计要求，可以达到系统预期的性能指标。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 基于物联网的设施农业国内外研究现状

1.3 本文的研究目标和主要研究内容

第二章 物联网设施农业信息监测系统总体方案设计

2.1 系统设计需求分析

2.2 系统总体方案设计

2.3 无线传感网络架构设计

2.4 系统性能指标

2.5 本章小结

第三章 物联网设施农业信息监测系统感知层与网络层设计

3.1 系统监测对象及监测量分析

3.2 系统感知层设计

3.3 系统网络层Zigbee节点设计

3.4 系统网络层GPRS网关设计

3.5 系统电源模块设计

3.6 本章小结

第四章 物联网设施农业信息监测系统应用层监测中心设计

4.1 信息监测中心硬件支撑平台选型

4.2 信息监测中心软件设计

4.3 基于模糊综合评判的作物健康状态评估

4.4 本章小结

第五章 系统无线传感网络节点布局优化

5.1 节点部署方法分析

5.2 系统无线传感网络仿真

5.3 系统无线传感网络节点天线高度部署试验

5.4 本章小结

第六章 系统试验与调试

6.1 实验室试验

6.2 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间的研究成果