基于物联网的谷子大田苗情监测与管理技术研究

发布时间：2017-06-29 06:14

  本文关键词：基于物联网的谷子大田苗情监测与管理技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：物联网技术是新一代信息技术,是世界信息产业继计算机与互联网之后的又一次飞跃,为农业现代化的快速发展提供了前所未有的机遇,为实现优质、高产、高效、低耗的现代农业发展创造了新的技术支撑。本论文开展了基于物联网的谷子大田苗情监测与管理技术的研究,主要创新点及工作成果如下：1.本文对农业物联网的概念及体系架构进行了概述,从信息感知层、网络传输层和处理应用层3个层次分析了农业物联网关键技术,总结了国内外农业物联网研究应用现状及存在问题,提出了我国农业物联网发展战略和重点措施,并对农业物联网发展趋势进行了展望。2.针对以往农用无线传感器网络(wireless sensor network, WSN)能耗与成本较高、传输性能不理想等问题,选用无线射频芯片AT86RF212、单片机C8051F920等,设计了一种工作在780 MHz中国专用频段且与IEEE802.15.4c标准兼容的无线传感器网络用于谷子大田物联网的平台架构。并选择北方典型的日光温室和山西省谷子产业技术体系农作试验站的谷子大田作为试验研究环境,通过改变无线收发距离,对780 MHz、 433 MHz和2.4 GHz频段的无线传感器网络节点的接收信号强度值和丢包率进行了测试与分析。结果表明,在温室环境监测以及在农田环境信息监测的应用中,780MHz和433 MHz的无线传感器网络的远距离传输性能都明显优于2.4 GHz频段,且工作于780 MHz中国专用频段的无线传感器网络的远距离传输性能与通信质量表现更佳。3.研究了谷子安全高效栽培管理技术、谷子病虫害智能诊断与防治技术等与物联网技术在谷子大田环境信息监测、谷子苗情远程监测与预警及智能节水灌溉等方面的集成应用。重点构建了谷子农田环境信息监测系统、智能节水灌溉系统、智能激光语音驱鸟系统、谷子安全高效栽培技术指导与病虫草害智能诊断与防治系统等,实现谷子生产阶段的多信息精确感知和智能化精细管理,促进经济效益、社会效益和生态效益的高度统一和谷子产业的可持续健康发展。1)谷子农田环境信息监测系统可远程实时获取谷子农田环境传感数据,如空气温湿度、土壤温度与含水量、光照强度及视频图像等信息,也可通过数据库远程调用各种环境因子的历史变化和趋势,并具备图表分析与显示功能,为节水灌溉系统作出准确的灌溉决策提供数据基础。2)农田监测数据的获取：传统的方式是观察者在农田现场进行参数采集或铺设有线线缆来获取和传输有关农田信息,布线繁杂、费工费时且数据监测缺乏连续完整性。本文通过在农作站谷子试验田构建780MHz频段的无线传感器网络来实现农田环境信息参数的实时无线获取和远程传输,在很大程度上增加了监测数据的完整性、便捷性和可靠性。3)数据上报机制：本文采用了在农田环境参数值达到设定的变化幅度(如土壤湿度变化±2%或空气温度变化±1℃)时上报数据,各个信息参数值的变化范围上报阈值可以根据监测精度的具体需求来设置。相对于普遍按照固定时间间隔的数据上报方法,本文的数据上报机制更符合农业生产实际,既能够实时监测农田环境参数的变化并及时上报给控制中心,又不会在农田环境参数比较稳定时频繁进行监测数据传输,从而实现节能、节耗、节本。4)本文总结了谷子整个生育期对水分需求的一般规律和山西省主要地区的谷子节水高效灌溉制度,并构建了基于物联网的谷子智能节水灌溉系统,根据谷子各生育期的需水规律和农田土壤墒情信息进行合理灌溉,既能保证谷子适时适量用水,实现优质高产,又能起到节水示范作用。5)谷子苗情长势远程监控系统包括太阳能供电模块、数字图像传感器与控制器模块、3G移动通信模块、780MHz无线通信模块、无线图像传输中继、控制中心服务器等部分。「通过3G网络照相机对谷子大田监控区域定时拍照,并将高清图像无线传输到远程服务器,对谷子苗情和病虫鸟害等情况进行远程监控,供用户及时方便地观察谷子大田生长情况。6)本文介绍了为害谷子大田的主要鸟类和较常用的驱鸟方法,并利用太阳能光伏组件、超低功耗单片机、激光驱鸟技术、生物仿生语音技术等设计了一种超低功耗的智能激光语音驱鸟系统,通过采用鸟类视觉最为敏感的波长为532m的绿色激光和驱鸟语音库全天候、全方位立体驱鸟模式实现高效驱鸟功能,在不伤害鸟类的前提下,有效减少谷子因鸟害而造成的损失。系统在山西省谷子产业技术体系农作试验站的试验取得了较好的驱鸟效果,证明该系统具有功耗低、稳定性高、驱鸟效果明显、驱鸟时间持久、对鸟类无伤害、鸟类无适应性等特点。7)在理论与实践相结合的基础上构建了谷子安全高效栽培技术指导与病虫草害智能诊断与防治系统,可有效指导用户控制好谷子生产过程中的各个环节要素,使“谷子-环境-栽培技术”构成的生产生态系统处于最佳生产状态,对于解决目前谷子生产上的突出难题和关键生产技术,提升谷子栽培的现代化水平,提高谷子的产量、品质和效益,确保谷子等粮食作物的安全有效供给都具有重要意义。
【关键词】：农业物联网 无线传感器网络 780MHz频段 现代农业 农田环境信息监测 节水灌溉 苗情 鸟害 病虫草害诊断与防治
【学位授予单位】：山西农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S515;S126
【目录】：

• 摘要8-10
• 第一章 绪论10-24
• 1 研究背景10
• 2 农业物联网研究进展与前景展望10-22
• 2.1 农业物联网基本概念10-11
• 2.2 农业物联网体系架构11-13
• 2.3 农业物联网关键技术13-15
• 2.4 农业物联网应用研究进展15-20
• 2.5 我国农业物联网发展战略与措施20-21
• 2.6 农业物联网发展趋势展望21-22
• 3 研究目的和意义22-23
• 3.1 研究目的22
• 3.2 研究意义22-23
• 4 本文研究内容23-24
• 第二章 基于780MHz频段的农用无线传感器网络的设计及试验24-41
• 1 引言24-25
• 2 关键技术设计25-29
• 2.1 无线传感器网络节点的结构25
• 2.2 无线射频频段的选择25-27
• 2.3 基于AT86RF212的780MHz无线通信模块设计27-29
• 3 无线通信模块传输性能试验29-31
• 3.1 对数距离路径损耗模型29
• 3.2 试验器材与环境29-30
• 3.3 试验方法30-31
• 4 试验结果与分析31-39
• 4.1 在温室环境中的接收信号强度分析31-33
• 4.2 在温室环境中的丢包率分析33-34
• 4.3 在谷子大田的接收信号强度分析34-36
• 4.4 在谷子大田的丢包率分析36-39
• 5 结论与讨论39-41
• 第三章 谷子大田物联网平台总体架构41-44
• 1 引言41
• 2 谷子大田物联网平台功能与体系架构41-43
• 2.1 谷子大田物联网体系架构41-42
• 2.2 谷子大田现场监控网络拓扑图42
• 2.3 平台主要功能42-43
• 3 本章小结43-44
• 第四章 谷子农田环境及苗情监测与智能节水灌溉系统44-65
• 1 引言44
• 2 谷子农田环境监测系统44-49
• 2.1 农田环境监测系统网络架构44-45
• 2.2 传感器模块与控制器模块45-46
• 2.3 数据上报机制46-47
• 2.4 系统运行效果47-49
• 3 智能节水灌溉系统49-55
• 3.1 谷子需水规律49-50
• 3.2 山西省谷子高效节水灌溉制度50-52
• 3.3 谷子智能节水灌溉系统设计52-55
• 4 谷子苗情长势远程监控系统55-65
• 4.1 系统架构55-56
• 4.2 系统功能56-57
• 4.3 太阳能供电模块的选择57
• 4.4 谷子现场监控界面和监控图像57-65
• 第五章 智能激光语音驱鸟系统65-71
• 1 引言65-66
• 2 系统结构66
• 3 技术方案及特点66-67
• 4 技术参数67
• 5 系统应用效果67-70
• 6 结论与讨论70-71
• 第六章 谷子优质高效栽培技术指导及病虫草害智能诊断与防治系统71-89
• 1 谷子优质高效栽培技术指导系统71-76
• 2 谷子病虫草害智能诊断与防治系统76-88
• 2.1 谷子主要病虫草害种类、特点及防治技术76-80
• 2.2 谷子病虫害诊断推理80-84
• 2.3 系统架构及应用效果84-88
• 3 结论与讨论88-89
• 第七章 结论和展望89-94
• 1 结论89-90
• 2 创新点90-93
• 3 不足与展望93-94
• 参考文献94-106
• Abstract106-112
• 攻读博士学位期间科研与发表论文情况112-114
• 致谢114

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