物联网的智能农业监测系统可行性研究报告.docx

No： _ 基于物联网的智能农业监测系统的设计与实现 日期： 毕业设计成绩评定表 指导教师评语 :（包含学生在毕业设计期间的表现） 成绩（平时成绩） : 指导教师签名： 年 月 日 评阅教师评语： （毕业设计与设计报告的质量与水平） 成绩（评阅成绩） : 评阅教师签名： 年 月 日 答辩情况记录 :（不安排答辩的学生此表不填） 答辩成绩 : 答辩委员会主任 (答辩教师小组长 )签名 : 年 月 日 总评成绩 : 毕业设计任务书 一、设计课题： 基于物联网的智能农业监测系统的设计与实现 二、设计目的： 智能农业，是通信、计算机和农学等若干学科和领域共同发展并相互结合所形成的产物，它将信息采集、传输、处理和控制集成在一起，使人们更容易获得农作物生长各个阶段的各类信息，也让人们更容易掌控这些信息，通过人工智能与农业生产的结合真正实现人与自然的交互。随着通信、计算机、传感网等技术的迅猛发展，将物联网应用到农业监测系统中已经是目前的发展趋势，它将采集到的温度、湿度、光照强度、土壤水分、土壤温度、植物生长状况等农业信息进行加工、传输和利用，为农业生产在各个时期的精准管理和预测预警提供信息支持，追求以最少的资源消耗获 得最大的优质产出，使农业增长由主要依赖自然条件和自然资源向主要依赖信息资源转变，使不可控的产业得以有效控制。 本文设计了基于物联网的智能农业监测系统，目的是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监测软件的数据分析和远程监测，同时为了降低传感器节点的能耗、提高采集数据的准确度，提出了 KDF 算法用于数据处理。 三、设计要求 1 建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统 ; 2 该系统能够准确实时的获取农作物生长的环境信息并对这些信息进行远程监测。 四、毕业设计报告要求： 1 系统可以正常稳定的工作； 2 无线传感器节点可以正常构建无线 Mesh 网络，可以进行数据可靠传输； 3 系统通过 Tomcat 服务器在线发布，用户可以在任何一台与Internet 相连的 PC 机上登录本系统进行数据查询和系统管理，实现远程监测的功能； 4 系统采用的节能机制达到了很好的节能效果，且采集数据的精度符合要求。 五、设计进度计划： 11 月 15 日 11 月 25 日 查阅物联网相关资料 2 月 1 日 2 月 25 日 系统架构设计 3 月 1 日 3 月 25 月 撰写毕业设计报告 4 月初 毕业设计答辩（如有变动，另行通知） 六、毕业答辨需提交的材料： 毕业设计报告 学生： 陈 俊 指导教师签名： 年 月 日 摘要 物联网作为信息产业的第三次浪潮，在农业中的应用将会解决一系列科学技术问题，例如分布在广域空间的信息获取，高效可靠的信息传输以及面向不同应用的智能决策等，将是实现传统农业向现代农业转变的助推器和加速器。农业生产过程中，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，传统农业的管理方式远远没有达到精细化管理的标准，只能算是粗放式管理，在这种管理方式下，通过人的感知能力管理上述环境参数，无法达到准确性要求，要实现现代农业的智能化管理，建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监 测系统是非常必要的。因此，本文设计了基于物联网的智能农业监测系统，该系统能够准确实时的获取农作物生长的环境信息并对这些信息进行远程监测。 论文首先详细阐述物联网和农业物联网的内涵和体系结构、农业物联网的关键技术和未来发展。介绍了数据融合的相关概念，并提出了 KDF 算法用于系统对感知数据的处理。 KDF算法是基于卡尔曼滤波的数据融合算法，能够达到减少冗余信息、降低能量消耗以及消除干扰使获得的感知数据更加准确的目的。其次，论文给出了系统的总体设计，并根据设计要求，以 MSP430F5438 微处理器、射频模块 CC2520、射频放大前端 CC2591 以及 SHT 10 温湿度传感器等环境感知传感器为核心，构建了传感器硬件节点。传感器节点的软件以 Z-Stack 协栈为基础，成功的实现了无线 Mesh 网络的组建和数据的可靠传输。最后，论文介绍了上位机监测软件，上位机监测软件基于 B/S 架构，使用 JSP 语言在 MyEclipse 环境下开发，具有良好的人机交互前台界面 ;后台采用 MySQL 数据库，完成环境参数数据和其他有用信息的存储 ;将整个系统通过 Tomcat 服务器在线发布，系统便可以接入到 Internet 中，形成“底层 (传感器 )-Internet 网络一远程监控”的结构，使连入互联网的计算机均可以访问。 对系统从功能实现角度来开展的实验结果显示，该系统可以正常稳定的工作，无线传感器节点可以正常构建无线 Mesh 网络，可以进行数据可靠传输，系统通过 Tomcat 服务器在线发布，用户可以在任何一台与 Internet相连的 PC机上登录本系统进行数据查询和系统管理，实现远程监测的功能，并且本系统采用的节能机制达到了很好的节能效果，且采集数据的精度符合要求。 关键词 :农业物联网 ;无线传感器网络 ;数据融合 ;B/S 架构 目 录 摘要 . 6 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 研究的目的与意义 . 2 1.2.1 研究目的 . 2 1.2. 2 现实意义 . 3 1. 3 主要研究内容与论文结构 . 4 第二章 物联网与农业 . 6 2. 1 物联网 . 6 2.1.1 物联网内涵 . 6 2. 1. 2 物联网体系结构 . 7 2. 2 农业物联网 . 8 2. 2.1 农业物联网内涵 . 8 2. 2. 2 农业物联网体系结构 . 9 2. 3 农业物联网的关键技术 . 10 2. 4 农业物联网的未来发展 . 11 第三章 系统的数据融合处理 . 13 3. 1 数据融合的原理及意义 . 13 3. 1.1 数据融合的原理 . 13 3. 1 .2 数据融合的意义 . 14 3. 2 数据融合的分类 . 15 3. 3 数据融合的基本方法 . 17 3.4 系统的数据融合处理 . 20 3. 4. 1 KDF 算法的提出 . 20 3. 4. 2 卡尔曼滤波 算法 . 20 3. 4. 3 KDF 算法 . 21 第四章 传感器节点的设计与实现 . 25 4. 1 系统总体设计 . 25 4. 2 传感器节点的硬件设计 . 26 4. 2. 1 硬件设计方案 . 26 4.2.2 处理器模块 . 28 4. 2. 3 外部传感器模块 . 30 4.2.4 无线通信模块 . 31 4. 3 传感器节点的软件设计 . 34 4. 3. 1 节点软件开发环 境 . 34 4.3.2 Z-Stack 协议栈研究 . 35 4. 3. 3 网络组建 . 35 4.3.4 数据传输 . 37 第五章 智能监测处理中心的设计与实现 . 42 5. 1 智能监测处理中心开发平台概述 . 42 5. 2 智能监测处理中心总体设计 . 43 5. 3 智能监测处理中心前台界面设计 . 45 5. 3. 1 登录界 面 . 45 5. 3. 2 主界面 . 46 5. 3. 3 数据管理界面 . 47 5. 4 串口通信的实现 . 50 5. 4. 1 串口通信基础 . 50 5. 4. 2 Java 串口通信 . 51 5.4.3 串口通信的实现 . 52 5. 5 客户端与数据库的交互 . 54 5. 5. 1 数据库简介 . 54 5. 5. 2 数据库表 . 54 第六章 系统测试与结果分析 . 57 6. 1 无线传感器网络运行效果测试 . 57 6. 2 系统远程监测功能测试 . 58 6. 3 节点节能效果测试 . 60 6. 4 采集结果精度测试 . 61 第七章 总结与展望 . 63 7. 1 总结 . 63 7. 2 展望 . 64 参考 文献 . 65 致谢 . 67 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 农业历来被认为是稳民心、安天下的产业，我国人口占世界总人口的 22%，耕地面积却不足世界耕地面积的 7%，一直创造着以不足世界 7%的耕地养活世界近 22%人口的奇迹。随着经济的高速发展，资源短缺、环境恶化与人口剧增的矛盾越来越突出，我国传统农业在走过了近 30 年的以资源换产量、以高投入换粮食增产的道路后不得不面对因基础薄弱、科技含量不足、生产技术落后而导致的农业产量增长缓慢、生产效益低下、农业不能得到很好的发展等诸多问题。我 国要发展现代化信息化农业，同样有诸多问题鱼需解决，例如资源紧缺的问题，仅水资源紧缺就会严重影响我国农作物产量，还有生态环境恶化的问题，生态环境退化会带来非常严重的土壤退化，不利于我国农业长期发展，还有我国农产品安全问题将直接影响国民的正常生活。为了保障我国农产品的产量供给，同时保证我国农产品食物安全和农业生态环境安全，提高农业生产经营精细化管理水平，实现农村经济可持续发展，我们必须根据农业发展的实际需求，掌握农业领域的关键技术，加快发展现代化、信息化、智能化农业，达到提高我国农产品质量和生产效率、降低生产成 本、合理利用农业资源、改善生态环境的目的，从而推动农村经济迅速发展并推动中国经济高速增长。 作为信息产业的第三次浪潮，物联网技术可以在土壤和水资源的可持续利用、生态环境监测、农业生产过程精细化管理、农产品与食品安全可追溯系统和大型农业机械作业服务调度、远程工况监测与故障诊断等多个农业领域发展。物联网技术通过信息感知技术可以获取更多的信息，包括作物信息、农业环境信息、农机作业信息等，为智能农业提供更加丰富的实时信息，通过全面互联共享可以获得更多的网络服务，提高智能农业科学决策水平和作业实施水平。物联网技术必将为改造传统农业，改变农业增产方式，发展信息化、智能化、可持续发展的现代农业发挥重要作 用，引领我国现代农业的未来发展。我国国家中长期科学 2 和技术发展规划纲要中，明确将“传感器网络及智能信息处理”作为“重点领域及其优先主题”，“农业物联网技术”己经纳入“十二五” 863 计划发展纲要，作为物联网重要分支之一的农业物联网技术必将在我国具有广阔的应用前景。 1.2 研究的目的与意义 1.2.1 研究目的 在农业生产过程中，温度、湿度、光照强度、 COz 浓度、水分、以及其他养分等多种自然因素共同影响农作物生长。传统农业的管理方式远远没有达到精细化管理的标准，只能算是粗放式管理，在这种管理方式 下，通过人的感知能力来管理上述环境参数，是无法达到准确性要求的。而智能农业，是通信、计算机和农学等若干学科和领域共同发展并相互结合所形成的产物，它将信息采集、传输、处理和控制集成在一起，使人们更容易获得农作物生长各个阶段的各类信息，也让人们更容易掌控这些信息，通过人工智能与农业生产的结合真正实现人与自然的交互。智能农业的核心问题可以概括为以下四部分，即农业信息的获取、对所获取信息的管理、经信息分析做出的决策、由决策而决定的具体实施方针，在这四部分中，对农业信息的获取是智能农业的起点，也是非常关键的一点，做不 到准确实时的获取农业信息，就无法建造真正的智能农业。而实现智能农业，建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统是非常必要的 . 随着通信、计算机、传感网等技术的迅猛发展，将物联网应用到农业监测系统中已经是目前的发展趋势，它将采集到的温度、湿度、光照强度、土壤水分、土壤温度、植物生长状况等农业信息进行加工、传输和利用，为农业生产在各个时期的精准管理和预测预警提供信息支持，追求以最少的资源消耗获得最大的优质产出，使农业增长由主要依赖自然条件和自然资源向主要依赖信息资源转变，使不可控的产业得以有效控制 。 本文采用无线传感器网络技术，将物联网与农业信息、的采集相结合，设计了基于物联网的智能农业监测系统，目的是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监测软件的数据分析和远程监测，同时为了降低传感器节点的能耗、提高采集数据的准确 - 3 - 度，提出了 KDF 算法用于数据处理。 1.2. 2 现实意义 与传统的农业监测技术和系统相比，本文设计的基于物联网的智能农业监测系统有以下优点 : (1)无线传感器节点能够自动组网。当网络中的某个节点因电池耗尽或者 节点出现故障等原因停止工作时，传感器网络中的节点个数会动态的增加或者减少，整个传感器网络的拓扑结构会随之发生相应的变化。本文设计的无线传感器节点，能够在无任何人工帮助的情况下，通过控制网络拓扑机制和遵守网络形成协议来自动形成具有转发大量监测数据功能的多跳自组织网络，并且能够保证网络形成后一直工作，具有很高的鲁棒性和可靠性。 (2)无线传感器节点能够实现低功耗并且获得高准确度的数据。由于传感器节点尺寸小，只能采取电池供电，而电池能量有限，传感器节点均分布在田间，数量庞大且分布广泛，经常更换电池会带来非 常繁琐且繁重的工作量。如何减少节点的功耗，延长节点寿命，对于整个系统网络的稳定、高效运行是至关重要的，同时，由于采集和传输过程中周围环境的干扰，数据的准确性有待提高。本文采用基于卡尔曼滤波的数据融合方法解决这两个问题。在无线传感器网络中，处理器进行数据计算所消耗的能量，远远小于数据在通信过程中消耗的能量，本文的数据融合，是在节点采集数据之后到发送数据之前进行的数据冗余处理，有效减少了无线传输过程中的数据传输量，达到节能的目的，并且卡尔曼滤波可以有效消除感知数据的干扰及不确定性，从而获得更加准确可靠的环境参数 数据。 (3)系统实现资源共享。将 Web 协议移植到系统中，将系统通过 Tomcat 服务器在线发布，系统便可以接入到 Internet 中，实现“底层 (传感器 )-Internet 网络一远程监控”的结构，能够将整个系统的信息发布到互联网上，既可以随时随地对影响农作物的环境参数进行监测，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 2.1.1 物联网内涵 物联网 (The Internet 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 2.1 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 ZigBe