基于无线传感网的森林环境监测系统研究

论文摘要

森林是生态系统的主体,在全球碳循环中扮演这非常重要的角色。对森林生态非生物环境因子进行持续监测,进而阐明森林生态环境因子和森林生态系统的结构与功能之间的相互作用机制,可为森林的合理经营提供理论依据,为对森林生态效益进行科学计量和评价,为制定合理的环境政策具有十分重要的战略意义。运用自组织网络的方式进行随机与格网相结合的方法,搭建了森林环境监测系统。描述了传感器节点的部署方法、数据路由协议及数据包内容,分析了在网络传输中数据缺失的原因和补偿的策略。通过多模态数据交叉测量与感知数据的综合认知技术,实现了对森林生态环境的连续时空多点协同监测。论文以林内传感器节点的光照与温湿度数据为基础,运用IDW插值算法绘制了光照、温湿度的分布图,用线性回归法对相互之间的相关性进行分析,结果表明:无论林内、林缘和林外温湿度的变化相关度都很高;光照对温湿度的影响在林缘和林外的要略低于林内,表明在同样的光照条件下,森林具有良好的降温和增湿效果。本研究还利用无线传感器节点与红外二氧化碳探头结合,在密闭容器内获得土壤表面的温湿度和二氧化碳浓度,通过对获得的数据进行重新标定和校正,计算出土壤表面二氧化碳通量,与Li-8100土壤测定仪对同一土壤样地进行的实验比较,其结果差别不到4%,这为土壤碳通量的测量的提供了一种新的低成本方法。最后总结了无线传感网在森林环境监测中的应用中存在的问题,阐述了与森林生态学结合方面存在的挑战,并展望了未来的发展方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 森林环境的概述
• 1.2 森林环境监测的意义
• 1.3 传统的森林环境监测方法
• 1.4 无线传感网的挑战与优势
• 1.4.1 无线传感网技术本身存在的挑战
• 1.4.2 无线传感网的优势
• 1.5 国内外无线传感网应用研究现状
• 1.5.1 国外研究动态
• 1.5.2 国内研究状况
• 1.6 论文结构
• 2 研究框架
• 2.1 研究区域概况
• 2.2 研究内容
• 2.3 研究目的
• 2.4 拟解决的问题
• 2.5 研究步骤
• 3 森林生态环境监测系统
• 3.1 无线传感器网络
• 3.1.1 WSN 介绍
• 3.1.2 节点硬件
• 3.1.3 节点软件环境
• 3.2 设备封装
• 3.3 传感网部署
• 3.3.1 随机部署
• 3.3.2 格网部署
• 3.3.3 混合部署
• 3.4 数据包格式
• 3.5 路由协议
• 3.5.1 CTP 与 ETX
• 3.5.2 动态路由与静态路由
• 4 森林环境因子分布图与相关性分析
• 4.1 数据预处理
• 4.1.1 数据重复、丢失以及处理方法
• 4.1.2 数据转换
• 4.2 单日变化监测
• 4.2.1 光照
• 4.2.2 温度
• 4.2.3 湿度
• 4.2.4 小结
• 4.3 连日变化监测
• 4.3.1 光照
• 4.3.2 温度
• 4.3.3 湿度
• 4.3.4 小结
• 4.4 不同区域环境差异监测
• 4.4.1 光照差异
• 4.4.2 温度差异
• 4.4.3 湿度差异
• 4.5 实时分布
• 4.6 相关性分析
• 5 森林土壤表面碳通量测定
• 5.1 原理与方法
• 5.2 实验装置
• 5.3 实验结果
• 5.4 小结
• 6.总结
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 问题与不足
• 6.4 展望
• 参考文献
• 导师简介
• 个人简介
• 致谢