基于物联网的智能农业监测系统的设计与实现毕业设计论文

基于物联网的智能农业监测系统的设计与实现毕业设计论文内容摘要：

境参数进行监测，又实现了农业信息资源的共享，为今后物联网在农业环境监测领域中的进一步研究与探索奠定了重要的技术基础。 (4)网络部署方便。 传感器节点在监测区域要大量部署，为了对目标系统本身 特性不构成影响并且方便部署，传感器节点体积要尽可能小。 本系统中的节点采用微型化设计，部署一次就可以长期稳定工作，不容易受到人为因素的影响。 4 (5)系统实现低成本。 系统中传感器节点数量庞大且功能简单，单个节点的造价能够极大的影响整个系统的成本。 所以，在保证节点性能的前提下应该尽可能降低单个节点的成本，本系统的传感器节点在保证电路正常、稳定工作的前提下，采用尽可能少的使用电子元器件的方式设计，有效降低整个系统的成本。 (6)系统实现高精度采集。 无线传感器节点具有一定的存储和计算能力。 尽管无线传感器节点网络分布密度大且数据采集量大，每个节点均能将监测区域采集到的大量环境信息高精度地传至上位机存储分析。 1. 3 主要研究内容与论文结构 物联网的应用非常广泛，遍及国民经济和人类生活的方方面面，可以说，信息时代，物联网无处不在，所以，对物联网的研究也涉及多个方面，本文主要研究物联网在农业环境监测中的应用，设计了基于物联网的智能农业监测系统，实现目标监测区域内，无线传感器网络节点的自动组网、影响农作物生长的环境参数的实时采集以及 上位机的数据分析和远程监测，并从传感器节点数据精度和节能角度出发，对数据进行数据融合处理。 本文分为 7 章，文章结构安排和具体内容如下 : 第 1 章绪论 给出本文的研究背景，并详细的描述了课题的研究目的及意义，归纳了全文的主要内容和结构安排。 第 2 章物联网与农业 从内涵和体系结构等方面对物联网进行介绍，并重点介绍农业物联网，对农业物联网的内涵、体系结构、关键技术以及未来发展做了详细阐述。 第 3 章系统的数据融合处理 详细阐述了数据融合的原理及意义，介绍了从融合级别角度出发所形成的数据融合分类方法，并介绍了数据融合中常用的基本方法，最后提出 KDF 算法，作为本系统数据处理的方法。 第 4 章传感器节点的设计与实现 本章介绍了系统的总体设计和传感器节点的硬件设计，对 MSP430F5438, CC2520,CC2591 以及各类传感器的具体性能和各项参数进行详细的介绍，并给出 5 部分电路图。 同时介绍了传感器节点的软件设计，详细的阐述了传感器节点的软件开发环境以及组建无线 Mesh 网络和数据可靠传输的过程。 第 5 章智 能监测处理中心的设计与实现 介绍了智能监测处理中心的开发平台以及智能监测处理中心的总体设计，并对前台界面的设计、串口通信的实现方法以及客户端与数据库如何进行交互进行了详细阐述。 第 6 章系统测试与结果分析 从测试设备、测试地址以及测试方法等方面对系统进行的无线传感器网络运行效果测试、系统远程监测功能测试、节点节能效果测试和采集结果精度测试做了详细描述，并对测试结果进行了分析。 第 7 章总结与展望 对本文的研究内容进行总结，并指出本系统可以改进的方面以及下一步可以进行的工作。 6 第二章 物联网与农业 2. 1 物联网 物联网内涵 物联网 (The Inter of Things, IOT)，既“物物相连的互联网”。 目前，关于物联网比较准确的定义是 :物联网是通过各种感知设备和系统、条码与二维码、全球定位系统，按照约定的通信协议，将物与物、人与物、人与人连接起来，通过各种接入网、互联网等网络进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络，在这种网络中，每一个物件都可以寻址，每一个物件都可以控制，每一个物件都可以通信。 物联网与 传统的互联网是有着本质区别的，二者的区别在于 :首先，物联网是对具有全面感知能力的物体和人的互联集合，物联网全面感知的目的是随时随地对物体进行信息采集和获取，采用的技术手段主要有 RFID 技术、二维码技术、GPS 技术、传感器技术、无线传感器网络等。 物联网作为各种感知技术的综合应用，其应用过程需要多种类型的传感器，这些能够捕获不同信息且具有不同信息格式的传感器都作为不同的信息源，按一定规律采集所需要的信息，并且传感器上传的数据具有实时性。 其次，物联网对数据具有可靠传送能力，物联网上的传感器数量极其庞大，形成了海量 的采集信息，这就要求物联网必须适应各种异构网络和协议以确保传输过程中数据的正确性和及时性，物联网是一种建立在互联网上的网络，作为互联网的延伸，物联网能够遵循约定的通信协议，通过相应的软硬件实现规定的通信规则，将各种有线和无线网络与互联网融合，准确实时地将采集到的物体信息传递出去。 最后，物联网能够实现智能处理，智能处理可以说是物联网最为核心和关键的部分，也是物联网能够得到广泛应用的基础，它能够综合应用当前各个学科比较前沿的技术，对已经经过感知层全面感知和传输层可靠无误传输的数据进行全面的分析和处理，为人们当前 从事的各种活动作出指导，这种指导具有前瞻性，且通常是智能化的 [81，并且在物联网中，不仅仅提 7 供了传感器与互联网等各种网络的连接，物联网自身也可以进行智能处理，具有对物体实施智能控制的能力。 物联网将传感器技术和智能处理技术相融合，结合云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。 2. 1. 2 物联网体系结构 根据物联网的基本特征，物联网的体系结构被分为如图 所示的三个层次 物联网的感知层是物联网发展和应用的基础，这一层的功能是使用传感器进行物理世界信息的采集。 这一层最常用到的技术有射频识别技术、 传感技术、远程操作技术以及 ZigBee 技术等。 物体木身不具备通信能力，感知层明传感器和 RIND 技术对各种物体进行标识，通过短距离无线通信技术等通信子层的通信模块与网关交互信息。 感知层设备具有多种延伸网，包括传感网、无线个域网(WPAN)、家庭网、工业总线等，也可以先组成延伸网再与网关交互。 物联网的网络层建立在现有的移动通信网和互联网基础上 , 网络层的主要作用之一是利用可以连入互联网的各种类型的网络，将数据和控制指令进行安全可靠、准确有效的传输，同时实现数据传输过程中的通信算法。 对感知层上传的数据进行存 储分析也是物联网网络层的重要主成部分，是应用层众多应用的基础。 物联网的应用层实现了研究和开发物联网的目的和意义，这一层在前两层的基础上，结合相应的软、硬件开发和智能控制技术，为人们呈现出一个无限互 8 联、满意服务、随心控制的全新世界。 该层包括为物联网应用提供通用支撑服务和调用接口的应用支撑子层以及各种具体的物联网应用，物联网的具体应用可以分为监控类型的应用，比如物联网在智能环保和智能司法方面的应用。 控制类型的应用，比如物联网在智能交通和智能家居方面的应用。 查询类型的应用，比如物联网在智能城市和智能交通方面的 应用。 扫描类型的应用，比如物联网在手机钱包和高速公路不停车收费方面的应用。 总之，物联网可以应用到与人们生活息息相关的各个领域。 对物联网的研究仍在继续，物联网的应用领域也正在不断拓宽，随着各项支持物联网的技术的发展，物联网一定能够带给人类更便捷、更贴心的应用。 2. 2 农业物联网 2. 农业物联网内涵 当前，我国正处在从传统农业向现代农业迅速推进的过程当中，现代农业的发展从生产、经营、管理到服务，各个环节都迫切呼唤信息技术的支持。 物联网浪潮的到来，为现代农业的发展创造了前所未有的机遇，改造传统农业并发展现代农业，迫切需要使用物联网技术大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等农业行业领域的各种农业要素实施数字化设计、智能化控制、精准化运行和科学化管理，从而实现对各种农业要素的“全面感知、可靠传输和智能处理”，进而达到高产、高效、优质、生态、安全的目标。 物联网技术在经过十几年的在农业领域 的实际应用和不断发展，已经与农业领域紧密结合，形成了农业物联网。 研究农业的著名学者、中国农业大学李道亮教授在经过十几年对信息化技术在农业领域应用的探索和研究以后，给出如下结论 :“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，即运用各类传感器、 RFID 等感知设备，广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽水产养殖和农产品物流等农业相关信息。 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，实现农业信息的可靠传输。 最后将获取的海量农业信 J 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、电子化交易， 9 进而实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标。 从该定义可以看出，农业物联网可以通过感知技术获取更多的数据信息，包括作物信息、农田环境信息、农机作业信砂息，通过传输技术为我们的农业提供更加丰富的实时信息，通过全面互联共享获得更多的网络服务，通过智能决策提高农业科学决策水平和作业实施水平。 2. 2. 2 农业物联网体系结构 农业物联网属于交叉学科，是物联网技术在农业领域广泛应用的产物，农业物联网 体系划分可以参照物联网体系划分的标准。 农业领域的信息要经过产生、传输、处理和应用四个过程，农业物联网相应的被分成如图 所示的四层模型。 感知层利用传感器、 RFID, GPS, RS 和条码技术等各种感知技术，借助各种设备和手段，对自然界中存在并且对农业生产有意义的各类数据信息进行获取，实现“物”的识别。 传输层具有完成大范围内信息传输与广泛互联功能，能够将现有的广域网技术与感知层的传感网技术相融合，把感知到的农业信息无障碍、快速、安全、可靠的传送到需要信息的地方，使物品在全球范围能实现远距离大范围通 信。 处理层通过云计算、数据挖掘、模式识别、预测预警等信息处理技术，实现最终的信息技术与行业的深度融合，完成物品的信息汇总、共享、预测和分 10 析决策等功能。 应用层是农业物联网体系结构的最高层，是面向终端用户的，可以根据用户的不同需求搭建不同的操作平台，农业物联网的应用主要实现了大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品交付过程中管理者的直接参与，通过农业物联网，管理者可以更快的获取各类信息，对于突发情况，管理者可以做出更及时的反应，通过远程控制，管理者可以实现对整个农业生产线更精细的管理，管理者可以从物联网多 个应用角度出发对农业进行管理，达到农业生产高产、优质、高效、生态和安全的目标。 2. 3 农业物联网的关键技术 农业物联网是物联网在农业领域实际应用和不断发展的产物，因此，农业物联网的 关键技术也是从物联网的关键技术发展而来的，农业物联网的关键技术主要分为以下几个方面 : 农业信息感知技术，是指利用农业传感器、 RFID, GPS, RS、条码等技术在任何时间、任何地点对农业领域的物体进行信息采集和获取。 农业信息感知技术主要包括以下几种 :第一种，农业传感器感知技术，在农田种植过程中，温度、湿度、光照强度、 C02 浓度、水分以及其他养分等多种自然因素共同影响农作物的生长，同样，动物的生长和繁殖过程也离不开周围环境因素的影响，这些都属于农业要素信息，及时获得这些农业要素信息是非常重要的，农业传感器可以用于采集各种农业要素信息。 第二种，条码技术，该技术是集条码理论、光电技术、计算机技术、通信技术、条码印制技术为一体的自动识别技术，在农产品追溯中有广泛的应用。 第三种， RFID 技术，利用射频信号通过空间藕合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别的目的。 第四种， GPS 技术，即全球定位系统，是指利用卫星，在全球范围内进 行实时定位和导航的技术，全球定位系统技术在农业上对农业机械田间作业和管理起到导航作用。 第五种， RS 技术，即遥感技术，通过遥感器获得地球上各类物体的电磁波信息，并以此为依据进行远程控测和识别， RS 技术在农业上主要用于作物长势、水分、养分和产量的监测。 农业信息传输技术，是指将涉农物体通过感知设备接入到传输网络中，借助有线或无线通信网络，随时随地进行高可靠度的信息交互和共享。 农业信息传输 11 技术主要包括以下几种 :第一种，无线传感器网络，通常被设计成鲁棒性强、稳定性好、低功耗低成本并且操作与维护简单的多跳自组织 网络，负责感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息，无线传感网络主要应用在大田灌溉、农业资源监测、水产养殖、农产品溯源等方面 :第二种，移动通信技术，随着农业信息化水平的提高，移动通信技术逐渐成为农业信息远距离传输的关键技术，移动通信技术的开发与应用极大的推进了我国农业向现代农业发展的进程。 农业信息处理技术，是以农业信息知识为基础，采用各种智能计算方法和手段，使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动地实现与用户的沟通。 农业信息处理技术主要包括以下几种 :第一种，农业预测预警技术，农业预测能够以土壤、环 境、气象资料、作物或动物生长、农业生产条件、化肥农药、饲料、航拍或卫星影像等时机农业资料为依据，经济理论为基础，数学模型为手段，对研究对象未来发展的可能性进行推测和估计。 农业预警是指对农业的未来状态进行测度，预报。