基于物联网的智能农业大棚的研究与实现.doc

基于物联网的智能农业大棚的研究与实现大连理工大学 大连理工大学学位论文独创性声明若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 摘农业物联网技术是本系统研究和实现的基础，本文首先阐述了物联网和农业物联网的基本概念，包括体系架构和本文应用到的一些技术。系统以无线传感器采集模块、网关、服务器和客户端等为主要部件构建智能农业大棚的硬件系统，无线传感器节点的设 琁琱琹，甌， 目滴锪M 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现灌溉模型算法与实现 绪论农业关系着国计民生，中国是一个发展中的农业大国，农业在我国国民经济中占主导地位，社会的稳定和发展与农业息息相关。在召开的党的十七届三中全会提出并通过的中共中央关于推进农村改革发展若干重大问题的决定清楚的指出：“积极发展现代农业，提高农业综合生产能力”，深入理解并充分发展现代农业具有重大的意义。中国新农村建设中提出尽快实现农业的现代化和智能化，中国的农业在传统农业向现代农业转型的道路上还有很多路要走，近代中国的传统农业在走了很多弯路，存在着牺牲土地资源或生态资源换取高产量、生产经营方式粗放、食品质量低下、农业技术装备落后和缺乏资本投入等诸多问题。农业现代化是实现粮食增产、农民增收的重要途径。发展精准农业不仅关系着提高农作物产量，同时对合理使用农业资源、提高生产效率和农产品产量和品质以及降低生产成本等方面也有着积极的作用。 课题研究目的与意义本文融合了物联网技术、嵌入式技术、数据融合、射频识别技术、传感器技术、农业工程、计算机软件开发和硬件设计等技术，设计了基于物联网的智能农业大棚，目的是实现温室大棚生产过程中的参数在线高精度测量和实时采集，而且能实现温室内温度调节、湿度调节等智能控制或报警提示，自动实现保温、保湿和历史数据的记录以及远程智能处理中心的采集数据查询和返回控制。农业大棚能提供及时、反季节的农作物和蔬菜，经济效益良好，但是大棚的管理非常繁重和复杂，作物对环境温度、湿度，光照的要求往往很高，从而要求用户具备一定 传感器目前普遍的供电方式是干电池，由于电量的限制等原因需经常更换电池，由于人为的疏忽和环境的影响，电池需经常更换，甚至有的情况忘了更换，给无线网络带来隐患，同时频繁的更换电池无疑也占用了用户的时间和精力。本文对无线传感器网络采集主要研究内容与论文结构术以及未来发展。 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现统的数据融合处理。 物联网物联网为保证数据的实时性与精确性，要求物联网必须有自己健全的网络通信协议和技术。而这些通信协议与技术既与互联网有联系，也有很大的差别。物联网作为互联网的延伸，按照本身的通信协议实现感知层实现数据的采集，网络层在遵守软硬件通信规则的基础之上实现数据准确可靠的传输。最重要的物联网不仅仅是实现了无线传感器等硬件的组网，更主要的实现了对采集的数据进行智能处理和对物体的返回控制。农业物联网物联网在众多指挥体系建设中有着重要应用，它是实现这些工程的基础技术之一，现在随着技术的不断向前发展，物联网正在全面“入侵”农业。农业物联网由物联网概念派生而出，是新兴的一门技术，就是把不同的传感器部署在农业生产现场采集温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、病虫害、图像等信息，并构成监控网络，每间隔一定的时间段传输一次数据，实现在农业生产环境的感知、预警、决策和分析等方面的智能化， 农业物联网的应用在近几年取得了巨大的成就，随着不断的发展和应用，相信在不远的将来必将彻底改变传统农业的生产模式，改变过去以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。由于物联网中大量使用各种自动化、智能化甚至远程控制的生产设备，从而可以达到避灾减灾、节本增效，减少环境污染并提高生产效益和效率的作用。目前对于农业物联网没有准确统一的定义，中国农业大学李道亮教授认为：农业物联网就是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用，在应用过程中运用各类传感器、视觉采集终端等感知设备，广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等领域的现场信息，通过建立数据传输和格式转换方法，充分利用无线传感器网络、电信网和互联网等多种现代信息传输通道，实现农业信息的多尺度的可靠传输；最后将获取的海量农业信息进行融合、处理，并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流、 农业物联网综合信息服务、大田种植、施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流壤电导率、养殖水质、酸碱度、含氧量、生物信息、农产品溯源、农机速度、位置 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现 随着世界各国对农业物联网技术研究与应用，我国很多地方在政府的支持下相继投产了很多农业物联网示范项目，鉴于农业物联网对我国农业现代化的重要性，对农业物联网关键技术和标准的研究正在不断推进，在农业物联网的核心技术等方面投入大量人力物力并引进很多有实力的企业进入农业物联网领域。着眼农业物联网未来的发展，突破核心技术和关键技术的研究是我国农业物联网走向成熟的关键。研发农业物联网专用传感器，解决传感器网络节点合理部署，设计适合中国现代农业发展和要求的支撑平台，为加快相关产品的研发和应用给予技术上的支持。加快农业物联网标准体系建设，开展农业物联网产品补贴。加强农业物联网示范项目建设，全面推进其在现代化农业生产经营和流通领域中的应用。随着国家对农业物联网重视程度的提高，农业物联网核心和关总之，随着农业物联网在我国的深入快速发展，必将会使我国在现代化农业的道路上越走越远。 基于物联网的智能农业大棚系统框架图如图所示。主要构成部分有无线传感器传感器采集数据模块主要实现了温室大棚内传感器节点分散不同地理位置采集环 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现节点的硬件设计规划本系统设计的目标是采集农业大棚内农作物生长的环境参数。采集到的数据具有准确性和实时性。根据观察和分析的结果，将温室环境参数控制在最适宜农作物生长的范围内。硬件系统是是智能农业大棚的基础，所有的软件都要运行在硬件系统之上，并且采集数据的精准可靠是本系统设计的主要目标。鉴于传感器节点数据的传输方式是无线的，所以保证节点数据正确无误的传输是无线传感器数据采集网络设计的重点。传感器的成本、功耗以及扩展性等问题也是需要意见系统设计主要考虑的方面。硬件系统的构建基于以下原则【】： 监测温室大棚中的温湿度。 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现等模块，是无线传感器网络与网络之间数据传输的通道，实现了将物联网接入互联网。用户使用计算机或者手机便可以远程访问无线传感器网络采集的数据，监测中心返回的控制命令也通过网关向无线传感器网络的控制节点发送，然后通过远程控制功能实现温室内部环境的调节。网关也是本项目的控制中心，采集的数据经过处理后提供给用户参考，数据也可以作为系统平衡和稳定的依据【】。在保证本系统中各节点通信的有效性和可靠性同时，选择网关实现无线传感器数据的收集和转发，使得温室大棚的采集节点与网关数据的传输方式无线方式，便于温室大棚内的劳动。该模块主要包括无线传 。，该软件具有以下特点：功能强大，通用性强，交叉编译器和 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现在提高用户的工作效率方面效果明如图所示。豇帽瞎日口圆怼啊籮怠邸缫駼母癣臻哦啦甚参参易：掣”】；顳 猦鬟 大连理工大学硕士学位论文也很低，从而省去了充电或者频繁更换电池的麻烦。此外，还具有时延短、安全和可靠性好等特点使得它能与无线传感器网络结合紧密。目前，基于技术的无线传感器网络技术在现代农业中的信息采集及远程监测领域有着很大的优势。联盟创始于年，作为一个非盈利组织向所有人开放。它的成员包括一些大的半导体生产厂商、软件开发爱好者以及基础设备制造商等。术和功能更先进的用镅员嘈吹腪疨协议栈。协议的体系结构如阁户虚用穗序设备配鬣乎层哥谶餐埘象誅铆予腰 协议体系结构的基础之上，将其优势充分发挥。 协议支持三种类型的设备：协调器、路由器和终端设树状网络结构图 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现上位机软件的设计与实现上位机监测中心管理系统软件使用河镅陨杓瓶7撑是微软公司发布的一种面主矗蠢岛蠢；。二翟盆如滋潮越；潲。；霸一雕嘲，一嘲黼鞲锻鼎黧怨箨罐囊事哪搿鬻攀蹿巍瓣葶囊镬。话巍。工辩囗硙肇是。蕊缝黉鞭鬻渊糟氅，鼍秽一 上位机监测中心士工士土士：工工图上位机监测中心模块功能图参数管理模块主要实现对传感器采集的感知数据上下限值的设定与报警提示的功 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现 蝴：关联式数据库管理系统，是一个开放源代码的真正于它功能强大、速度快、拥有丰富的应用编程接口多中小型网站和编程工作者的选择【数表常用的的多用户、多线程数据管理系统。由据库常用的操作命令如表所示。 用于系统数据的处理，在节省传感器节点能量的同时实现了传输的数据更加精准。数据的传输与实现图传感器节点发送数据 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现图上位机接受数据 图特征级数据融合流程图决策级数据融合流程 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现表数据融合方法分类最小二乘法、最大似然估计、卡尔曼滤波、神经网络基于基于参数分类的景点推理、贝叶斯推理、证据推理、神经网络、聚类分析法、逻辑模板法与基于认知模型的表决法、模糊集合论、模糊数学法本文主要介绍以下几种常见的数据融合方法【】。之上确定状态量。在现实中，传感器检测到的数据由于受环境或噪声干扰的影响，测得的数据不可能很精准。通过对数据的观察和统计对它进行估计，得到的估计值更接近真实值，这种情形下得到得到的估计就是最优估计。通过卡尔曼滤波算法的递推公式计算，得到系统的当前估计状态和系统未来的预计状态。经过卡尔曼滤波算法的数据失真度小，在原始数据融合方面应用非常广泛。 上述两公式中， 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现其中磁为卡尔曼增益。 大连理工大学硕士学位论文实验可以得出，经过卡尔曼滤波后的温度值更贴近于真实温度，实验效果明显。 ，罂宓弥#甘取值在蔥上取值从玱单调递减，弧弧 琠篒 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现应的权数依次为，。根据公式贸龅列数据融合结果。利用以上公式得出基于信任度的数据融合结果分别为：，通过图可以直观的看出经过数据融合后的数据相比较未经融合的数据波动较小，采集数据的精度得到了明显的提高。 采集数据的不同时刻标记为渲衖，瓒问#辍陑，其中仃。和仃：均值口； 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现图、； 大棚耗水量及相关分析农业大棚作物的生长环境与大田作物有着显著的区别，作物的生长环境差别很大，大棚内具光照条件相较大田作物弱，增温保湿的效果明显。农业大棚的水量主要来自于灌溉，并且不受雨水天气的限制。由于大棚内的环境是封闭的，内部风速很小，从而对蒸发的影响甚微。温室大棚内的湿度一直处在很高的水平，并且稳定，所以对大棚作物耗水量的影响也十分稳定。而辐射影响表现为温度影响的一部分，从而温度是影响温室大棚耗水量的最大因素。为了进一步探讨大棚耗水量与温度的相关性，采用年度试验数据进行量化分析，选择大棚长度为米宽度为米的地块进行试验，选取种植大棚黄瓜，通过月耗水量与数据库中温度的平均值进行统计对比，结果如表所示。从表中可以看到，在气温较高的月份，相应的大棚内的温度也在高位，大棚内的作物需水量大，并且大棚内的耗水量也高。大棚的最低温度出现在拢笈锖乃吭月也最低。 耗水量的主要因素。 图大棚月平均耗水量 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现天的消耗水量是一个平均温度的函数，因此当第焓保趂天的消耗水量为，淖畲笾挡怀鼵碈蹸。将等式替换后，我们得到： 变化而发生变化。通过大棚耗水量及相关分析，我们把日平均温度作为衡量大棚耗水量灌溉模型通过估算日均耗水量，得到应该实施灌溉的时间为：。 图灌溉模型体系架构图 大连理工大学硕士学位论文灌溉模型的应用 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现 通过实际测量，在号土壤含水率约等于最小含水量。而通过灌溉模型的估算为 基于物联网的智能农业大棚的研究与实现数据的数据处理，实验只测试了温度指标，过于简单，今