面向精确灌溉的WSN数据传输关键技术研究

论文摘要

精准控制灌溉技术是精确农业的一个重要组成部分。目前,精确农业实施的最大障碍,仍然是在农田信息高密度、高速度、高准确度、低成本获取技术的研究上。随着无线传感器网络(WSN)在众多场合的成功应用,国外已经将WSN技术应用于大范围农田灌溉控制系统中,但我国这方面的研究还处于起步阶段。在运用WSN实现农田信息获取过程中,必须结合具体应用特点解决数据传输的关键问题,针对农田灌溉控制系统的特定场合,研究WSN数据传输的关键技术,对建立精确农业中WSN理论体系及促进我国精确灌溉技术的推广具有重要意义。从精确灌溉实施的需求出发,结合WSN的特点,以管道式喷灌系统为例,研究面向精确灌溉控制系统的WSN数据传输系统,针对数据传输过程中的关键问题进行深入研究,主要研究内容和创新点有:1.创建一种WSN灌区墒情采集的数据传输方法,为实现精确农业信息获取“高密度、高速度、高准确度、低成本”的目标取得了新的进展。通过分析精确灌溉实施需求和WSN的特点,从管道式喷灌系统的布置方式出发,结合考虑喷头喷洒域,研究灌区的划分方法,设计一个分层结构的WSN,以灌溉小区为灌溉实施单位,以相邻灌溉小区组成的数据收集区为数据收集的基本组织,从总体上对WSN数据传输系统的构建方法进行研究。2.建立传感器节点和汇聚节点优化部署模型,实现低成本节点部署。为满足精确灌溉对农田信息全面获取的需要,对相关覆盖理论进行研究,提出在灌溉小区实行正三角形网格覆盖的部署方法,通过分析喷头射程和传感器节点传感半径之间的关系,建立灌溉小区传感器节点优化覆盖部署模型;通过分析正三角形网格覆盖存在的不足,提出适当的部署修正方法,并用正方形网格覆盖部署进行对比研究。为满足对传感器节点的全连通覆盖,应用正三角形网格覆盖部署方法,建立汇聚节点优化部署模型。3.创建一种节点动态功率管理方法,实现低功耗数据传输。为减少节点通信能耗,延长网络使用寿命,依据土壤墒情的时间变化特点,提出一个基于数据流灰预测的动态功率管理方法,利用数据收集区的汇聚节点对接收的数据流进行预测,并应用灰色理论建立预测模型,实现在WSN节点资源很有限情况下的工作模式动态切换,以减少WSN节点间的通信能耗;研究节点的工作状态,定义两种节点工作模式。仿真结果表明,应用该动态功率管理方法可节约通信能耗63.63%以上。4.建立节点故障诊断模型,实现可靠数据传输。依据局部区域土壤墒情空间差异在时间上的稳定性,建立一个基于时空相关性的故障诊断模型,应用方差理论进行第一阶段判断,判断出部分正常节点,再依据数据变化值的偏离度实现对其它节点的第二阶段故障诊断。实验验证了该故障诊断方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究问题的提出
• 1.1.3 研究目的和意义
• 1.2 相关研究领域及其发展现状
• 1.2.1 农田信息传输现状
• 1.2.2 WSN及其研究现状
• 1.3 研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 面向精确灌溉的WSN数据传输系统
• 2.1 引言
• 2.2 喷灌技术概述
• 2.2.1 固定管道式喷灌系统
• 2.2.2 喷头
• 2.2.3 方形喷洒域
• 2.2.4 田间管道系统的布置
• 2.3 WSN结构与通信协议标准
• 2.3.1 WSN结构
• 2.3.2 通信协议标准
• 2.4 精确灌溉系统基本结构
• 2.5 精确灌溉WSN系统结构设计
• 2.5.1 灌区的划分
• 2.5.2 网络拓扑结构的建立
• 2.6 土壤墒情传输方法
• 2.6.1 底层网络数据传输方法
• 2.6.2 上层网络数据传输方法
• 2.7 WSN构建中的几个关键问题
• 2.7.1 节点能量供应问题
• 2.7.2 节点部署方法
• 2.7.3 低功耗数据传输技术
• 2.7.4 数据可靠传输技术
• 2.8 本章小结
• 第3章 基于网格理论的节点部署方法
• 3.1 引言
• 3.2 节点部署与覆盖基础
• 3.2.1 传感半径、通信半径与喷头射程
• 3.2.2 节点部署
• 3.2.3 覆盖
• 3.3 灌溉小区全覆盖方法研究
• 3.3.1 灌溉小区覆盖问题描述
• 3.3.2 相关理论
• 3.3.3 正三角形网格的划分
• 3.3.4 最少节点数的确定
• 3.4 传感器节点部署方法
• 3.4.1 正三角形网格部署的调整
• 3.4.2 正方形网格部署
• 3.5 汇聚节点的部署
• 3.6 本章小结
• 第4章 数据传输动态功率管理研究
• 4.1 引言
• 4.2 相关工作
• 4.3 动态功率管理原理
• 4.4 数据流灰预测算法
• 4.4.1 灰预测基础
• 4.4.2 数据流预测算法
• 4.5 动态功率管理方法
• 4.5.1 建立节点工作模式
• 4.5.2 节点工作模式转换
• 4.6 基于DPM的数据传输过程
• 4.7 实验与结果分析
• 4.7.1 仿真参数
• 4.7.2 DPM仿真与结果分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 基于时空相关性的传感器节点故障诊断
• 5.1 引言
• 5.2 相关工作
• 5.3 时空相关性和故障模型
• 5.3.1 时空相关性
• 5.3.2 故障模型
• 5.4 基于时空相关性的故障诊断方法
• 5.4.1 故障诊断模型
• 5.4.2 故障诊断算法
• 5.4.3 模拟实验与结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 读博期间参加科研项目及科研成果