农业科技硕士论文范文篇一
第一章绪论
1.1研究背景与意义
无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量廉价、微型传感器节点利用无线通信的方式形成的一个多跳、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络的系统架构如图1-1所示，主要由传感器网络节点、汇聚节点和任务管理节点三部分组成。大量传感器节点随机部署在被监测区域（senser region，SR)内，以自组织方式构成网络，以无线、多跳通信链路将感知到的数据传送给汇聚节点，最后通过互联网或卫星通信链路到达任务管理节点。用户通过任务管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务及收集监测数据。传感器网络节点是组成传感器网络的核心，是传感器网络感知任务的主要执行者。传感器网络节点是一个微型嵌入式系统设备，一般由数据采集模块、数据处理模块、无线射频通信模块和能量供应模块组成。数据采集模块负责数据的采集、模/数转换，处理器模块负责数据处理，无线通信模块负贵与其他节点进行数据通信，能量供应模块负贵运行所需的能量。传感器节点通常使用能耗较低的单片机作为处理器，如ATmegal28L、MSP430、CC2530等系列单片机。节点的任务调度和管理一般基于一个精简、高效的任务管理内核完成，典型的如UC Berkeley的TinyOS、Embedded Linux. Micro OS等。受传感器网络应用场景、任务特点等影响，传感器网络节点的计算能力、存储能力和通信能力一般都非常有限。传感器网络节点除了完成其所在区域的信息收集之外，还要对其他节点发送来的数据进行融合、转发以及网络的通信链路维护。图1-2描述了典型传感器网络节点组成。汇聚节点是传感器网络和外部网络的接口，通过网络协议转换实现管理节点与无线传感器网络间的通信，将无线传感器网络节点采集到的数据信息转发到外部网络上，同时亦向传感器网络发布来自管理节点的指令。
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1.2技术现状分析
无线传感器网络最初来源于美国国防部高级研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)研究项目。早期，无线传感器网络多用于信息获取、目标侦测等军事应用，如美国国防部国防高级研究计划署和美国国家科学基金委员会（National Science Foundation, NSF)联合资助的 1980 年的 DSN (Distributed Sensor Network, DSN)计划和 1998 年的 SensIT (Sensor Information Technology, SensIT)计划。DARPA制定的“灵巧传感器网络通信”、“无人值守地面传感器群”、“战场环境侦察与监视系统”等研究计划。这些项目中的无线传感器网络设计要求和目标定位较高，被认为是最为“完美”的无线传感器网络系统，但是目前这些系统距离应用还较远，大多数仅处于关键技术验证、模型样机或实验室测试阶段。进入本世纪，在美国自然科学基金委员会的推动下，越来越多的研究机构开展无线传感器网络民用领域应用研究。较典型的有UCLA大学的CENS实验室、UCLA大学电子工程系的WINs项目、UC berkely大学的BWRC研究中心WEBS研究项目、USC大学的RESL实验室、USC/ISI的SCADDS项目、GIT大学的BWN实验室、Ohio大学的ExScal项目、哈佛大学的火山监控项g > Stony Brook大学的WINGS实验室、Harvard大学的CodeBlue项目，科罗拉多大学的MANTIS研究项目、Yale大学的阴ENALAB实验室、MIT大学的NMS项目和uAMPS项目、UIUC大学的取NDEX研究组、以及Purdu大学的ESP项目等。同时，IBM、Intel、Honywell、Nokia、以及Microsoft等公司也致力于无线传感器网络在医学、环境监测、森林灭火等应用领域的研究。
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第二章精准农业WSN模型定义与组网架构设计
2.1精准农业无线传感器网络特性与需求
按照无线传感器网络获取数据方式的不同，一般可将无线传感器网络分为事件驱动型、周期采集型和目标导向型。在事件驱动型网络中，节点只在事件触发时发送数据，其余大部分时间处于休眠状态，典型应用如森林防火、机场围界等。事件驱动型网络的最大难点是当事件触发时如何唤醒整个网络。在周期釆集型无线传感器网络中，传感器网络节点定时或按照一定的调度方式主动进行数据采集并发送给汇聚节点，环境监测应用中的绝大部分应用都数据周期采集型。在目标导向型网络中，传感节点只向汇聚节点汇报观察者感兴趣的数据，例如特定军事目标侦测、被监测区域中的特定目标追踪等。精准农业无线传感器网络主要实现对农田环境、土壤和作物信息的获取，属于数据周期采集型网络的研究范畴。网络在具有传统无线传感器网络特性的基础上，还具有如下的典型特性：精准农业无线传感器网络被部署于农田或温室内，应用环境一方面具有一定的自然环境的特点，一方面还因具有较多的农事活动而加入了人为干扰因素。农田不同于一般的野外自然环境，其对设备在环境中所占的空间尺寸非常敏感，监测系统的部署一方面不能占用大的空间持续影响田间作物的生长，另外也不能影响农业机械作业。农田环境与一般的室内环境更是有较大的差异，这主要体现在电源供给方式、广域网路的接入方式、设备的工作环境参数需求等方面。另外，随着作物的生长，田间环境具有广域空间的渐变性特点，且受作物冠层变化的影响，通信链路也会产生广域空间渐变性的特点，这要求网络需具有自适应、自调节能力。
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2.2精准农业无线传感器网络模型定义
假设精准农业无线传感器网络系统由N个无线传感节点组成，被部署在一个有限区域，周期性或定时收集特定参数。为了对精准农业无线传感器网络的研究更有针对性本文对其作如下设定：基于本论文第一章的无线传感器网络技术现状分析，传感器网络规模目前应用小于300个节点；数据汇聚节点部署于监测区域中，与网内至少一个节点保持无线链路通信，具有较强的计算、存储能力，且能量能够持续得到补充，具备接入到有线网络、蜂窝或卫星等无线网络的能力，并把数据传输给远程监测中心；普通网络节点使用有限电量旳电池供电，允许网络中出现能量异构节点，但其电池电量有限；各节点可以感知自身剩余能量状况；随着网络生存时间的延长，在节点间会出现耗能不均衡现象，节点剩余能量会出现不一致性；无线传感器网络感知节点和汇聚节点均通过人工部署或部署后其位置可知，一旦部署完成并启动网络后，节点的位置固定不再移动；节点自身的位置没有GPS等额外硬件帮助获取。
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3第三章分层、异构WSN低功耗通信协议设计........ 20
3.1流量自适应的节能AS-MAC协议........ 20
3.2基于能量意识的EA-LEACH协议........ 25
3.3精准农业WSN协议族A-Stack........ 28
3.4应用测试分析........ 31
3.5 小结........ 34
第四章精准农业传感器网络的网内数据融合技术研究 ........35
4.1基于分段回归的网内数据压缩传输算法........ 36
4.2基于四叉树编码的数据聚合算法........ 42
4.3 小结........ 50
第五章WSN节能采样调度实现方式研究........ 51
第六章精准农业传感器网络应用系统研发
6.1温室集群监测传感器网络系统
如图6-1所示，温室集群监测无线传感器网络系统主要由感知节点、路由节点、汇聚节点和管理终端四部分组成。感知节点安装在温室内部负责采集环境信息、作物等信息，通过无线多跳路由方式将数据传送到安装与温室顶部的路由节点，无线路由节点收集温室内感知节点信息后，经过数据处理将数据传送到汇聚节点。汇聚节点对网络数据进行再次处理（异常和冗余数据剔除、压缩数据恢复）后，将数据传送给系统管理终端。管理终端基于农业生产模型，对网络数据进行加工、处理、分析、决策，最后形成对农业生产具有指导意义的农事活动安排。无线传感器网络节点是传感器网络系统的核心组成部分，其设计实现直接关系到系统的整体性能。汇聚节点由没有连接传感器的无线传感器网络节点实现，硬件实现相同，软件设计也类似。管理终端由运行有系统管理软件的计算机组成，软件界面如图6-2所示。
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结论
农业是国民经济的基础产业，保障食物安全和农业的可持续发展是世界各个国家需要解决的首要问题。从我国的情况来看，保障21世纪我国16亿人口的粮食安全是我国农业生产需要解决的首要问题。近年来，虽然农业和农村经济取得了飞跃的发展，但是不合理的施肥、灌溉和施药等农事活动造成了大量资源浪费，污染了农田环境和农产品品质。精准农业根据作物及农田环境的差异性进行“按需投入、变量实施”的技术思想，是未来现代农业发展的必然趋势，其有效实施对提高我国农业的现代化水平、实现依靠科技进步解决“三农”问题具有重大意义。作为精准农业实施基础性环节田间信息获取主要技术手段的无线传感器网络技术，其关键技术的研究和解决对于精准农业的推广应用同样具有重要意义。本文主要围绕精准农业无线传感器网络中的节能关键技术从网络架构模型、网络通信协议设计、网络内数据融合处理方法和节能采样机制的实现方式等四个关键技术问题进
