论文题目：经济林经营管理物联网关键技术研究 ——以果园管理为例
摘要：借助先进的科技手段提高经济林生产效率、经济效益与环境效益,实现经济林经营管理信息化已经成为我国林业可持续发展领域的重大研究课题。利用无线传感器网络（WSN）技术进行林业生产信息采集、管理、分析和决策服务,是目前林业信息技术研究的热点。在林业无线传感器网络应用中,首先要解决现场环境的覆盖度问题,覆盖度反映了网络对现场环境的监测能力,是林业无线传感器网络应用的基础。由于林地现场环境存在区域范围大、信号遮挡明显、种植密度不均、株高动态变化等特点,往往在监测区域内造成部署代价与节点能量受限与网络生存时间之间的矛盾。覆盖控制方法通过对节点感知能力和能耗状态的建模,在不影响网络覆盖度的前提下,优化网络结构并合理调度节点能耗,延长网络生存时间和服务质量。其次,无线传感器网络的应用是以数据采集和传输为核心,因此需要设计合理的数据采集系统体系和异常数据发现及处理方法,以保障无线传感器网络数据质量。在解决上述两方面问题基础上,需要同时考虑无线传感器网络的数据服务的针对性和效率问题,需要根据不同的用户类型和应用场景提供不同层次的服务。本文以经济林经营管理信息化为目标,以果园管理为实例,从果园无线传感器网络覆盖控制方法、果园数据远程采集传输控制方法、果园环境感知数据噪声处理方法、果园感知信息智能服务四方面开展深入研究,设计了果园经营管理信息服务平台,构建了服务于管理者和生产者的经济林经营管理云服务平台体系。主要研究了以下内容：（1）提出了面向果园复杂遮挡环境的低能耗无线传感器网络覆盖控制方法果树植株高、枝叶茂盛等对无线传感器网络信号传输遮挡明显,这就需要无线传感器网络不断的进行寻址传输,极大的浪费了网络能量,降低了网络使用寿命。为了延长果园无线传感器网络生存周期,研究了无线传感器网络拓扑与布局方法分析、基于能耗控制的网络连通性优化、基于K-覆盖控制的度量等技术方法,在具有距离变化、实体遮掩的无线传感器网络环境中,在功率控制CBTC算法的基础上,研究了一种基于序列锥体的拓扑功率控制算法SCBTC（Sequence Cone Based Topology Control）,优化了网络能耗,延长了网络生存期；提出了基于k-覆盖控制的度量方法,从对网络资源优化分配角度出发,实现了网络络较好的连通性。该研究对于降低果园大规模节点部署成本、指定组所需的传感器位置、结构化布局都具有技术支撑作用,实现在涉及成千上万节点组成的大规模布局网络灵活部署。（2）提出了果园生产环境感知数据采集系统体系架构和噪声校正模型设计提出了软硬件一体的果园生产环境感知数据采集系统体系架构,包括采集节点硬件和软件,其中节点硬件包括采集模块、控制处理模块、无线通信模块和电源及转换模块四部分,节点软件程序主要实现任务调度、数据采集处理与数据通信三大主要功能。并提出了基于局部和全局平滑计算为前置条件的多元回归模型,实现监测数据的异常数据的去除和拟合处理,对于因设备本身和环境因素容易造成监测数据不准确问题起到了一定的辅助校正作用,减少了因显著误差数据增加误操作的概率。基于无线传感器网络的果园数据实时采集系统在平台体系中属于感知层,实现了简单、实用、低成本、低功耗的果园环境、土壤实时数据的采集,其低功耗的设计方法能够保证果园不间断工作2年以上,文本样机成本490元,是市场产品价格的40%左右。（3）研究了基于情景感知计算的个性化信息服务技术对果园生产现场的情景进行合理的定义和分类,建立了基于多因子的用户分类模型和多维情景感知推荐模型,并实现了信息个性化智能推送服务,与不具备情景感知与智能推送功能的普通检索系统有效率做对比,基于情景感知计算的个性化信息服务能够识别和预测用户兴趣偏好,有针对性地向用户提供所需内容,以情景感知计算为基础的个性化信息服务资源推送相关性平均提高2.22倍,准确率平均提高1.34倍。（4）设计果园经营管理信息服务平台研究了果园生产环境感知设备数据接入自适应控制方法、基于JSON格式的感知数据交换方法、基于SaaS的多租户应用服务模式、平台数据组织管理和前端应用可视化技术,设计了果园经营管理的信息服务平台,能够提供果园数据采集、生产经营、知识服务、灌溉控制等业务功能,为果园提供生产现场物联网数据资源的采集、网络传输、个性化服务,探索了果园低成本、租赁式的信息服务模式,通过平台运行实例分析,采用本文所述云服务模式估算能够减低生产基地信息化建设的资金投入24万元,年节约用工投入8人月,为果园科学经营管理提供了技术支撑。
关键词：林业信息化;无线传感器网络;覆盖控制;采集系统;情景感知;云服务平台
学科专业：森林经理学
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 问题的提出
1.1.2 研究的目的和意义
1.2 研究现状分析
1.2.1 林业物联网应用概述
1.2.2 林业物联网关键技术研究现状
1.2.3 相关研究综述与评价
1.3 研究目标和内容
1.4 研究方法和技术路线
1.4.1 关键技术基础
1.4.2 本文研究方法
1.4.3 技术路线
1.4.4 研究区域
2 果园无线传感器网络覆盖控制方法
2.1 果园无线传感器网络拓扑与布局方法
2.1.1 典型网络拓扑结构分析
2.1.2 大规模稠密随机部署的果园网络拓扑结构模型
2.2 面向能耗控制的果园无线传感器网络拓扑控制方法
2.2.1 网络能耗拓扑控制分析
2.2.2 基于序列锥体的网络能耗拓扑控制算法
2.2.3 序列锥体集划分阶段
2.2.4 功率拓扑控制阶段
2.2.5 仿真实验
2.3 基于连通性度量的果园无线传感器网络K覆盖控制方法
2.3.1 K覆盖控制的原理
2.3.2 K覆盖控制需要考虑的因素
2.3.3 K覆盖控制的度量
2.4 本章小结
3 果园环境数据采集与处理技术
3.1 基于无线传感器网络的果园数据实时采集系统
3.1.1 环境信息采集技术与系统架构
3.1.2 节点硬件设计
3.1.3 节点软件设计
3.1.4 系统能耗与成本
3.2 采集数据平滑处理技术
3.2.1 果园环境感知数据校正算法
3.2.2 实验数据准备
3.2.3 数据平滑方法选择
3.2.4 数据分析实验
3.2.5 基于多元回归的数据校正模型
3.3 本章小结
4 基于情景感知的个性化信息服务技术
4.1 果园生产信息服务系统情景
4.1.1 果园生产信息服务系统情景的定义
4.1.2 果园生产信息服务系统情景的层次
4.2 用户分类模型与推荐模型
4.2.1 用户分类模型
4.2.2 用户兴趣模型
4.2.3 感知信息智能推送
4.3 实验与分析
4.4 本章小结
5 果园经营管理信息服务平台设计
5.1 平台架构设计
5.1.1 平台用户分析
5.1.2 平台体系架构
5.1.3 平台运行架构
5.2 平台构建关键技术
5.2.1 基地设备数据采集与管理
5.2.2 基于JSON的感知数据交换
5.2.3 基于SaaS的多租户应用服务
5.2.4 平台数据资源组织管理
5.2.5 前端应用可视化
5.3 平台功能设计
5.3.1 平台功能概述
5.3.2 数据库设计
5.4 本章小结
6 平台运行实例分析
6.1 果园应用场景
6.2 果园物联网设备部署
6.3 面向果园的平台服务
6.3.1 果园数据采集
6.3.2 果园经营管理
6.3.3 果园知识服务
6.3.4 果园灌溉控制
6.4 应用效果分析
6.5 本章小结
7 结论与展望
7.1 主要研究结论
7.2 特色与创新
7.3 展望
参考文献
个人简介
导师简介
致谢