一种大田农业无线传感器网络系统设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大田农业无线传感器网络系统设计方法,所述方法包括以下步骤：第一步，农业应用环境对无线信道传播特性的影响与模型研究；第二步，面向精细农业的WSN结构与组网方式研究；第三步，面向精细农业的WSN节点低成本定位方法研究；第四步，面向精细农业的WSN数据融合方式研究；第五步，服务质量目标驱动的农业WSN系统评价策略；第六步，提出线传感器网络中间件设计方法。本发明专利技术的大田农业无线传感器网络系统设计方法，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，研究面向精细农业的无线传感器网络关键技术。

A design method of field agriculture wireless sensor network system

The invention discloses a method for the design of a field agricultural wireless sensor network system. The method includes the following steps: the first step, the influence of the agricultural application environment on the propagation characteristics of the wireless channel and the model study; the second step, the WSN structure and the networking mode of fine agriculture, and the third step for the fine agriculture. Research on low cost location method; fourth step, research on WSN data fusion for fine agriculture; fifth step, agricultural WSN system evaluation strategy driven by service quality target; and the sixth step, put forward the design method of line sensor network middleware. The design method of DDA agricultural wireless sensor network system is aimed at good environmental adaptability, low power consumption, low cost and standardization, and the key technology of wireless sensor network oriented to fine agriculture is studied with two applications of field and facility agriculture.

【技术实现步骤摘要】
一种大田农业无线传感器网络系统设计方法
本专利技术涉及一种大田农业无线传感器网络系统设计方法，属于农业信息化

技术介绍
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；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；本专利技术在以低成本、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；本专利技术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。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出了一种大田农业无线传感器网络系统设计方法，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，研究面向精细农业的无线传感器网络关键技术。本专利技术的大田农业无线传感器网络系统设计方法，所述方法包括以下步骤：第一步，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依据；第二步，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，设计分簇无线传感器网络结构，提出分簇有限自组网的结构与组网方式，并设计交叉双链的通信模式，增加农业无线传感器网络的通信可靠性；第三步，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DVHop节点定位算法进行改进，采用四边测距方式定位普通节点的位置，实现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；第四步，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，减少数据的传输量，有效地降低节点功耗；第五步，服务质量目标驱动的农业WSN系统评价策略，针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，建立农业WSN体系结构，提出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，针对分簇网络结构、簇内交叉双链的通信方式，测试丢包率、网络延时、网络能耗、网络带宽等指标，并计算服务质量；第六步，在上述研究的基础上，针对农业无线传感器网络系统低成本与标准化的需要，提出线传感器网络中间件设计方法；开发无线传感器网络软硬件，给出系统的硬件原理图和软流程图；设计基于太阳能MPPT的能量快速自给方法，并设计传感器间歇采样、深度休眠的工作方式，有效增加节点的供电可靠性。进一步地，所述第五步中，计算服务质量，其结果表明，网络结构与组网方式，具有良好的QoS指标。进一步地，所述第六步中，针对果园大田灌溉、铁皮石斛设施栽培环境监控等应用进行应用示范，结果表明，无线传感器网络较好地满足精细农业应用需求，节点硬件与嵌入式程序方便系统集成、适合大规模推广。本专利技术与现有技术相比较，本专利技术的大田农业无线传感器网络系统设计方法，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。具体实施方式本专利技术的大田农业无线传感器网络系统设计方法，所述方法包括以下步骤：第一步，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依据；第二步，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，设计分簇无线传感器网络结构，提出分簇有限自组网的结构与组网方式，并设计交叉双链的通信模式，增加农业无线传感器网络的通信可靠性；第三步，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DVHop节点定位算法进行改进，采用四边测距方式定位普通节点的位置，实现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；第四步，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，减少数据的传输量，有效地降低节点功耗；第五步，服务质量目标驱动的农业WSN系统评价策略，针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，建立农业WSN体系结构，提出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，针对分簇网络结构、簇内交叉双链的通信方式，测试丢包率、网络延时、网络能耗、网络带宽等指标，并计算服务质量；第六步，在上述研究的基础上，针对农业无线传感器网络系统低成本与标准化的需要，提出线传感器网络中间件设计方法；开发无线传感器网络软硬件，给出系统的硬件原理图和软流程图；设计基于太阳能MPPT的能量快速自给方法，并设计传感器间歇采样、深度休眠的工作方式，有效增加节点的供电可靠性。所述第五步中，计算服务质量，其结果表明，网络结构与组网方式，具有良好的QoS指标。所述第六步中，针对果园大田灌溉、铁皮石斛设施栽培环境监控等应用进行应用示范，结果表明，无线传感器网络较好地满足精细农业应用需求，节点硬件与嵌入式程序方便系统集成、适合大规模推广。上述实施例，仅是本专利技术的较佳实施方式，故凡依本专利技术专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本专利技术专利申请范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大田农业无线传感器网络系统设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：第一步，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依据；第二步，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，设计分簇无线传感器网络结构，提出分簇有限自组网的结构与组网方式，并设计交叉双链的通信模式；第三步，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节点定位算法进行改进，采用四边测距方式定位普通节点的位置，实现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；第四步，面向精细农业的WSN数据融合方式研究，采用基于空间相关性的压缩感知理论对节点数据进行融合；第五步，服务质量目标驱动的农业WSN系统评价策略，针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，建立农业WSN体系结构，提出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，针对分簇网络结构、簇内交叉双链的通信方式，测试丢包率、网络延时、网络能耗、网络带宽等指标，并计算服务质量；第六步，在上述研究的基础上，针对农业无线传感器网络系统低成本与标准化的需要，提出线传感器网络中间件设计方法；开发无线传感器网络软硬件，给出系统的硬件原理图和软流程图；设计基于太阳能MPPT的能量快速自给方法，并设计传感器间歇采样、深度休眠的工作方式。...

【技术特征摘要】
1.一种大田农业无线传感器网络系统设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：第一步，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依据；第二步，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，设计分簇无线传感器网络结构，提出分簇有限自组网的结构与组网方式，并设计交叉双链的通信模式；第三步，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DVHop节点定位算法进行改进，采用四边测距方式定位普通节点的位置，实现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；第四步，面向精细农业的WSN数据融合方式研究，采用基于空间相关性的压缩感知理论对节点数据进行融合；第五步，服务质量目标驱动的农业WSN系统评...

【专利技术属性】
技术研发人员：马廷彦，
申请(专利权)人：哈尔滨派腾农业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23