第1章绪论
1.1研究背景
1.1.1问题的提出
农业是国民经济的基础，保障农业的可持续性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，保障21世纪]6亿人口的粮食安全问题是我国农业生产需要解决的首要问题。近20年来，农业和农村经济取得了飞跃的发展。然而，农业耕地和水资源缺乏，不合理的施肥、灌溉和施药等农事活动造成了大量的资源浪费，污染了农田环境，农业装备技术发展滞后，难以满足我国现代农业发展的需要，是我国农业生产必须面对的挑战。在这种形式下，研究建立我国精细农业技术体系，对于提高我国农业现代化水平，实现依靠科技进步解决“三农”问题具有重大的意义。精细农业是我国现代化农业发展的重大技术选择。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需解决的重大问题。目前，以现代信息技术与农业技术融合为特点的“农业”技术成为解决以上问题的关键支撑技术之一。其核心是利用信息技术精确、及时地获取地块中每个小区土壤、环境与作物的信息，诊断作物的长势和产量在空间上差异的原因，并对每个小区做出决策，准确地在每个小区上进行灌溉、施肥、喷药等，以达到最大限度地提高水、肥和杀虫剂的利用效率，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、低功耗与良好的环境适应能力，准确获取反映大面积农田的各种信息是“农业”有效实施的一项关键技术。精细农业是基于信息和知识支持的现代农业⑴，其主要目标是获取作物生长的环境因素，这些因素在很大程度上决定作物的产量和质量。这些因素通常包括：作物环境的温湿度、含水量、风速风向等，对于这些信息，常具有空间和时间差异性的特点。精细农业，是指针对以上信息，区别对待，按需实施定位调控，也就是“处方农作"。
无线传感器网络（wireless sensor network WSN)是20世纪末发展起来的一种无线自组织网络，是物联网的关键组成部分，是当前国际上的一个研究热点。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。WSN是传感器技术、嵌入式计算技术和通信技术一体化的产物，可以实时感知所需要的信息，以实现实时监控对象，并对这些信息进行处理，传送给用户。因此，WSN可以很好的为精细农业服务，实现农业领域的数字化管理。WSN可精准地获取作物的生长信息，并即使将信息反馈给用户，为操作者提供现场监控的依据。WSN可以大面积的获取信息，为数字农业的高技术发展，实现农业资源与环境的协调发展提供了可施展的技术平台，是重要支撑技术。精细农业起源于欧美发达国家，这些国家己经对WSN在精细农业中的应用进行了大量研究早在1996年，美国有29%的农场服务商提供使用GPS的网格取样，到2002年己提供到50%。美国普渡大学（Purdue University) 2007年的一项调查表明，76%的被调查者使用了某种精细农业技术，其中64%的人使用了卫星或航空影像数据。我国也己经开展了将WSN应用于灌概控制系统的研究。我国科学家在20世纪90年代初提出了在我国进行精细农业的建议。其中南开大学的邮志刚给出了面向精确灌溉的WSN智能监控总体构架，以及传感器网络系统级和节点级的设计方案；中国农业大学的精细农业研究中心的汪撤华院士等根据农田环境的应用需求，设计了基于WSN的农田土壤温湿度监测系统，为精细农业空间差异性与灌概决策研究提供了有效工具。总体说来，我国在精细农业方面的应用还处于初步研究应用阶段，WSN在灌概控制中的应用还处于起步阶段，有必要研究面向精细农业的无线传感器网络数据传输关键技术。
1.1.2研究的目的和意义
精细农业需要高密度、高速度、高准确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需要攻克的一个难题。对于农田信息获取，大致经历了以下几个阶段：最初是从原始的人工获取开始，发展到实验室取样获取；随着传感器网络的出现，有线传感器网络获取开始应用于农业中，随着传感器网络的发展，遥感获取和WSN获取是目前发展趋势。与发达国家相比，我国利用WSN获取农田信息还处于起步阶段，与世界先进水平还存在一定的差距。在运用WSN进行农田信息的远程获取过程中，必须结合具体应用的特点来解决数据传输的关键问题。本文针对面向精细农业的WSN，对关键技术进行研究，对精细农业中WSN理论体系的建立和推广是有益的探索，为我国的农业现代化做出贡献。利用WSN技术解决农田信息采集与管理问题已经成为研究热点之一。但目前，主要的研究集中于温室蔬菜大棚和水文检测领域内的传感器网络设计，而对于无线传感器网络在大规模农田种植领域的应用及其组织结构、节点定位、路由协议、节能策略与数据融合等均缺少系统深入的研究。在这类应用中，监测面积大、农作物生长周期长、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）、作物类型与地势多样、天气状况复杂,这些特点为面向农业的大规模无线传感器网络系统的应用带来了挑战。本项目就旨在以低成本、低功耗与良好的环境适应性为目标，设计面向农业的大规模无线传感器网络的组织结构，并研究相应的节点定位与数据融合技术。本文在大田和设施农两个应用环境领域建立典型的应用示范技术，将WSN理论研究与实际应用结合起来，为提升我国在这一领域的核心竞争力做出了有益的探索。
第2章农业应用环境对无线信道传播特性的影响与模型研究
随着无线通信技术的发展，微芯片技术的进步，无线传感器网络（Wireness SensorNetwork, WSN)作为一种全新的信息获取和处理方式，以其低功耗，低成本，智能性强等特点，已在农业领域中得到了施展的平台。在实际应用中，由于农业应用环境的复杂多样性，本章将具体讨论果园裸地、平地与山地不同环境等典型环境为对象，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理论建模
本次试验地点在嘉兴某果园，试验共取了三种地势的果园：裸地、平地、山地。裸地即为平地的水果园旁边的一块无作物的空矿土地,作为平地、山地无线信道路径损耗的对比。平地为果园内的一块平整土地。考虑到嘉兴的实际地形，山地为果园内的相对高差为50ni的地段。作物因素方面，试验选择的果园（包括平地、山地）枝叶较为密集，植株也达到了近3m的高度，这也为架设天线提高了难度。由于所选择的不同环境下植株的生长情况基本一致，这为实验中丢包率和路径损耗的对比提供了更高的可靠性。另外，由于气候环境如光照、雨量、温度等对本试验中的无线信号传播影响并不是很大，所以忽略这些因素的影响。
第3章面向精细农业的WSN结构.......30
3. 1引言.......30
3. 2 WSN 结构.......30
3.2. 1 ZigBee的协议框架.......30
3. 2. 2 ZigBee的网络拓扑.......33
3.2.3 Mesh的网络拓扑.......34
3. 2. 4 ZigBee 安全管理.......37
3.3面向精细农业的WSN组网方式.......37
3.4本章小结.......43
第4章面向精细农业的WSN节点低.......45
4.1引言454.2定位技术介绍.......45
4.3典型的定位算法及定位算法.......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本章小结.......58
第5章面向精细农业的WSN数据融合.......60
5.1引言.......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压缩感知理论发展.......64
5.3基于空间相关性的分布式压缩感知.......65
结论
本论文以良好的环境适应性、低功耗、低成本、标准化为目标，以大田与设施农业两种应用对象，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。具体主要在以下几个方面：
(1)农业应用环境对无线信道传播特性的影响与模型研究针对不同的农业应用环境，分别就平地、裸地以及山地进行了实验，对不同信道频率下的丢包率，RSSI值以及不同天线下的传输范围进行了综合分析比较，得出了信道衰减经验模型，为无线传感器网络组织结构、路由协议与不同应用环境的节点部署方法提供了依据。
(2)面向精细农业的WSN结构与组网方式研究在研究常用无线传感器网络结构与通信协议的基础上，尤其是在分析ZigBee协议及其网络结构的基础上，针对设施农业与大田应用环境，设计了分簇无线传感器网络结构，提出了分簇有限自组网的结构与组网方式，并设计了交叉双链的通信模式，增加了农业无线传感器网络的通信可靠性。
(3)面向精细农业的WSN节点低成本定位方法研究面向大田应用，对DV-Hop节点定位算法进行了改进，采用了四边测距方式定位普通节点的位置，实现了精细农业用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)面向精细农业的WSN数据融合方式研究以减少无线传感器网络节点通信量、降低节点功耗为目标，采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，减少了数据的传输量，有效地降低了节点功耗。
(5)服务质量目标驱动的农业WSN系统评价策略计对农业无线传感器网络行业标准研究滞后的实际，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体系结构，提出了面向精细农业应用的WSN系统评价策略，为农业无线传感器网络行业标准的建立提供参考。在此基础上，本章针对分簇网络结构、簇内交叉双链的通信方式，测试了丢包率、网络延时、网络能耗、网络带宽等指标，并计算了服务质量，结果表明，本文所设计的网络结构与组网方式，具有良好的QoS指标。
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