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《中国农业科学院》 2016年
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农业物联网应用体系结构与关键技术研究

郑纪业  
【摘要】:近年来,随着无线通信技术、传感技术的快速发展,物联网技术在农业各行业得到广泛应用,形成了农业物联网(Agricultural Internet of Things,AIoT)。但总体而言,农业物联网尚处在起步阶段,一方面是底层感知设备多种多样,接口各异,通信协议种类繁多,加大了上层应用程序开发的难度和复杂度;另一方面是当前农业物联网系统平台主要以垂直行业研发为主,平台架构存在封闭化、耦合度高和扩展性差等问题,使得企业之间的数据共享和服务协同变得异常困难,形成了诸多“信息孤岛”。针对以上背景和问题,论文提出了五层农业物联网应用体系结构,并重点研究了其中的关键技术。主要工作及研究结论如下:(1)提出五层农业物联网应用体系结构。针对传统的物联网三层结构无法满足农业物联网对可伸缩性、可扩展性、模块化和互操作性的发展需求,通过对比国内外的研究机构和研究人员提出的各种不同形式的体系结构,论文给出了农业物联网体系结构构建原则,进一步精确地定义了系统的各组成部分及其之间的关系,确定通用框架和功能结构模型,提出了基于分层及协议配套的农业物联网体系结构。该体系结构可用于引导系统开发人员遵循层次结构原则来实现系统,使得最终建立的系统符合预期的需求。(2)设计并实现了农业物联网异构网络统一接入系统。由于现阶段农业物联网尚处在起步阶段,市场上有着多种不同通信协议的农业物联网系统。不同厂家生产的设备种类繁多,通信接口各异,通信协议互不兼容,导致底层感知设备接入上层农业物联网应用系统困难重重。针对这些问题研究了支持多协议、多标识转换的通用网关,设计了农业物联网接入层系统结构,并对各功能部件进行了详细介绍,最后搭建相关软硬件平台进行了测试,实验结果表明所设计的农业物联网接入层网关稳定可靠。通过接入网关的使用,农业物联网开发人员将有更多精力专注业务逻辑,而不必过多关注底层硬件设备的接入整合问题。(3)设计实现了面向服务的农业物联网数据共享架构。当前农业物联网业务平台存在异构化、垂直化和碎片化等问题,导致企业之间及企业内部新旧系统之间的互联互通和数据共享变得非常困难,形成了诸多“信息孤岛”。为此论文提出了面向服务的农业物联网数据共享架构,并对该架构的各层功能进行了详细分析,以食用菌全程质量安全追溯为例,分析了食用菌产前、产中、产后各环节业务流程和业务类型,最后设计并实现了不同粒度的服务,通过不同粒度服务的组合和复用,提高了农业物联网数据共享程度。(4)提出一种改进的基于事件驱动的能量高效分簇路由算法(EDEEC)。针对无线传感器网络监测农业生产环境过程中网络内各节点能量消耗不均匀,导致网络中部分节点失效过快问题,提出了一种基于事件驱动的农业生产环境监控无线路由算法。该算法通过减少簇内控制信息的发送数量,按照转发代价函数从候选节点中选择下一跳转发节点来缩短数据传输距离减少能量消耗从而提高整个网络的生命周期。实验结果表明EDEEC算法有效地避免了主动传输模式造成的节点能耗的浪费,同时较好的平衡了网络整体的能量消耗,延长了网络的生命周期。
【学位授予单位】:中国农业科学院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP391.44;TN929.5;F323.3

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