压缩感知在大型温室无线监测系统中的应用研究

发布时间：2017-08-17 08:38

  本文关键词：压缩感知在大型温室无线监测系统中的应用研究

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【摘要】：随着科学技术的快速发展,为了提高农业的生产效率,温室无线监测系统在现代农业生产中的应用越来越多,它的应用解决了外界相对恶劣的生态环境对农业发展的制约,提高了农业生产水平。在大型温室的无线监测系统中分布着大量的传感节点,而目前的采样机制都是基于高采样频率的奈奎斯特采样定理,因此对硬件的处理能力要求很高,由于无线传感器网络硬件资源的限制容易导致节点的损坏,造成温室监测系统的生命周期变短,影响了智能温室在现代农业生产中的运用与推广。为减少数据的采集量和通信量,提出将压缩感知理论应用于温室环境的无线监测系统中,用以取代高采样频率的奈奎斯特采样定理。本文的主要研究内容如下：(1)介绍了压缩感知的基本理论,特别针对其中信号的稀疏变换、信号的压缩测量以及信号的重构等关键技术进行了较详细的论述。(2)对温室无线监测系统的总体框架、硬件系统、软件系统进行了设计,采用正交匹配追踪算法(OMP)对温室环境参数进行压缩与重构,并进行重构性能分析,寻找最佳稀疏度下的观测值。(3)结合单个节点采集的数据存在时间相关性以及联合稀疏模型,建立了无线传感器网络中基于联合稀疏模型二(JSM-2)的时空相关性分布式压缩感知模型应用于温室系统中,并结合其编码与解码方案,更进一步的减少了数据的采集量与通信量。(4)针对以上建立的模型和编解码算法在matlab中进行实验仿真验证。首先对基于JSM-2的一步贪婪算法(OSGA)和同步正交匹配追踪算法(SOMP)进行了比较,说明SOMP重构算法更优越；再通过对OMP与SOMP算法在同种重构性能条件下,比较说明SOMP算法需要的观测值更少；最后进行能耗分析比较,说明相对于传统的传输,压缩感知只需要一半的能耗,并进一步说明SOMP算法在节能方面更有优势。
【关键词】：大型温室 无线传感网络 压缩感知 联合稀疏模型
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S625.3;S126
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 研究背景与意义8
• 1.2 国内外研究现状8-12
• 1.2.1 温室系统国内外研究现状8-9
• 1.2.2 WSN概述与国内外研究现状9-11
• 1.2.3 WSN中的CS国内外研究现状11-12
• 1.3 论文组织结构12-13
• 1.4 本章小结13-14
• 第二章 压缩感知理论14-20
• 2.1 概述14-15
• 2.1.1 范数14-15
• 2.1.2 稀疏信号15
• 2.1.3 可压缩信号15
• 2.2 信号的稀疏化15-16
• 2.3 测量矩阵的构建16-17
• 2.4 信号的重构17-19
• 2.4.1 匹配追踪算法(MP)18
• 2.4.2 正交匹配追踪算法(OMP)18-19
• 2.5 本章小结19-20
• 第三章 基于CS的温室监测系统设计20-35
• 3.1 总体框架设计20-21
• 3.2 系统硬件设计21-26
• 3.2.1 数据采集节点硬件设计21-23
• 3.2.2 传感器模块23-25
• 3.2.3 网关模块25-26
• 3.3 系统软件设计26-28
• 3.3.1 终端节点软件设计26-27
• 3.3.2 嵌入式网关软件设计27-28
• 3.3.3 上位机软件介绍28
• 3.4 试验过程与仿真结果28-33
• 3.4.1 实验环境与参数设定28-29
• 3.4.2 重构性能分析29-33
• 3.5 本章小结33-35
• 第四章 基于时空间相关性的DCS在大型温室监测系统中的应用35-55
• 4.1 分布式压缩感知35-36
• 4.2 联合稀疏模型36-38
• 4.2.1 JSM-136-37
• 4.2.2 JSM-237
• 4.2.3 JSM-337-38
• 4.3 温室监测系统中基于JSM-2的DCS模型38-42
• 4.4 温室监测系统中基于JSM-2的DCS算法42-45
• 4.4.1 OSGA算法43-44
• 4.4.2 SOMP算法44-45
• 4.5 温室监测系统中的能耗模型45-47
• 4.5.1 单节点能量模型46-47
• 4.5.2 簇头节点能量模型47
• 4.6 仿真实验及结果47-53
• 4.6.1 OSGA与SOMP联合重构算法的比较49-51
• 4.6.2 独立重构算法与联合重构算法的比较51-52
• 4.6.3 能耗分析52-53
• 4.7 本章小结53-55
• 第五章 总结与展望55-57
• 5.1 总结完成的工作55
• 5.2 存在的不足55-56
• 5.3 未来的展望56-57
• 参考文献57-60
• 致谢60-61
• 个人简介61

【参考文献】

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1 齐文新,周学文;分布式智能型温室计算机控制系统的一种设计与实现[J];农业工程学报;2004年01期

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本文编号：688082