物联网的智能农业监测系统毕业论文.docx
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物联网的智能农业监测系统毕业论文
No：
________
毕业设计报告
课题:
基于物联网的智能农业监测系统的设计与实现
院系:
软件学院
班级:
软件1109班
学号:
2021180434
学生:
陈俊
指导教师:
邹赛
装订交卷日期:
2021/4/7
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
辩论情况记录:
〔不安排辩论的学生此表不填〕
辩论成绩:
辩论委员会主任〔辩论教师小组长〕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、计算机和农学等假设干学科和领域共同开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开展，将物联网应用到农业监测系统中已经是目前的开展趋势，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效劳器在线发布，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到达了很好的节能效果，且采集数据的精度符合要求。
五、设计进度方案：
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 毕业设计辩论〔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到达精细化管理的标准，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，无法到达准确性要求，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开展。
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，能够到达减少冗余信息、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SHT10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协栈为根底，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效劳器在线发布，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效劳器在线发布，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到达了很好的节能效果，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
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%，耕地面积却缺乏世界耕地面积的7%，一直创造着以缺乏世界7%的耕地养活世界近22%人口的奇迹。
随着经济的高速开展，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根底薄弱、科技含量缺乏、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开展等诸多问题。
我国要开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开展，还有我国农产品平安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平安和农业生态环境平安，提高农业生产经营精细化管理水平，实现农村经济可持续开展，我们必须根据农业开展的实际需求，掌握农业领域的关键技术，加快开展现代化、信息化、智能化农业，到达提高我国农产品质量和生产效率、降低生产本钱、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开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、农产品与食品平安可追溯系统和大型农业机械作业效劳调度、远程工况监测与故障诊断等多个农业领域开展。
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效劳，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，开展信息化、智能化、可持续开展的现代农业发挥重要作用，引领我国现代农业的未来开展。
我国?
国家中长期科学
和技术开展规划纲要?
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"方案开展纲要，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
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到达精细化管理的标准，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，是无法到达准确性要求的。
而智能农业，是通信、计算机和农学等假设干学科和领域共同开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局部，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，在这四局部中，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开展，将物联网应用到农业监测系统中已经是目前的开展趋势，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，到达节能的目的，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效劳器在线发布，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根底。
〔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。
〔5〕系统实现低本钱。
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本钱。
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本钱，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本钱。
〔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，普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、关键技术以及未来开展做了详细阐述。
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根本方法，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，并给出局部电路图。
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。
第二章物联网与农业
2.1物联网
物联网〔TheInternetofThings,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那么，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局部，也是物联网能够得到广泛应用的根底，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
根据物联网的根本特征，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开展和应用的根底，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ZigBee技术等。
物体木身不具备通信能力，感知层明传感器和RIND技术对各种物体进行标识，通过短距离无线通信技术等通信子层的通信模块与网关交互信息。
感知层设备具有多种延伸网，包括传感网、无线个域网〔WPAN〕、家庭网、工业总线等，也可以先组成延伸网再与网关交互。
物联网的网络层建立在现有的移动通信网和互联网根底上,网络层的主要作用之一是利用可以连入互联网的各种类型的网络，将数据和控制指令进行平安可靠、准确有效的传输，同时实现数据传输过程中的通信算法。
对感知层上传的数据进行存储分析也是物联网网络层的重要主成局部，是应用层众多应用的根底。
物联网的应用层实现了研究和开发物联网的目的和意义，这一层在前两层的根底上，结合相应的软、硬件开发和智能控制技术，为人们呈现出一个无限互联、满意效劳、随心控制的全新世界。
该层包括为物联网应用提供通用支撑效劳和调用接口的应用支撑子层以及各种具体的物联网应用，物联网的具体应用可以分为监控类型的应用，比方物联网在智能环保和智能司法方面的应用;控制类型的应用，比方物联网在智能交通和智能家居方面的应用;查询类型的应用，比方物联网在智能城市和智能交通方面的应用;扫描类型的应用，比方物联网在钱包和高速公路不停车收费方面的应用。
总之，物联网可以应用到与人们生活息息相关的各个领域。
对物联网的研究仍在继续，物联网的应用领域也正在不断拓宽，随着各项支持物联网的技术的开展，物联网一定能够带给人类更便捷、更贴心的应用。
2.2农业物联网
2.2.1农业物联网内涵
当前，我国正处在从传统农业向现代农业迅速推进的过程当中，现代农业的开展从生产、经营、管理到效劳，各个环节都迫切呼唤信息技术的支持。
物联网浪潮的到来，为现代农业的开展创造了前所未有的机遇，改造传统农业并开展现代农业，迫切需要使用物联网技术大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等农业行业领域的各种农业要素实施数字化设计、智能化控制、精准化运行和科学化管理，从而实现对各种农业要素的“全面感知、可靠传输和智能处理〞，进而到达高产、高效、优质、生态、平安的目标。
物联网技术在经过十几年的在农业领域的实际应用和不断开展，已经与农业领域紧密结合，形成了农业物联网。
研究农业的著名学者、中国农业大学李道亮教授在经过十几年对信息化技术在农业领域应用的探索和研究以后，给出如下结论:
“农业物联网就是物联网技术在农业生产、经营、管理和效劳中的具体应用，即运用各类传感器、RFID等感知设备，广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽水产养殖和农产品物流等农业相关信息;通过建立数据传输和格式转换方法，充分利用无线传感器网络、电信网和互联网等多种现代信息传输通道，实现农业信息的可靠传输;最后将获取的海量农业信J息进行融合处理，并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流、电子化交易，进而实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态和平安的目标。
从该定义可以看出，农业物联网可以通过感知技术获取更多的数据信息，包括作物信息、农田环境信息、农机作业信砂息，通过传输技术为我们的农业提供更加丰富的实时信息，通过全面互联共享获得更多的网络效劳，通过智能决策提高农业科学决策水平和作业实施水平。
2.2.2农业物联网体系结构
农业物联网属于交叉学科，是物联网技术在农业领域广泛应用的产物，农业物联网
体系划分可以参照物联网体系划分的标准。
农业领域的信息要经过产生、传输、处理和应用四个过程，农业物联网相应的被分成如图2.2所示的四层模型。
感知层利用传感器、RFID,GPS,RS和条码技术等各种感知技术，借助各种设备和手段，对自然界中存在并且对农业生产有意义的各类数据信息进行获取，实现“物〞的识别。
传输层具有完成大范围内信息传输与广泛互联功能，能够将现有的广域网技术与感知层的传感网技术相融合，把感知到的农业信息无障碍、快速、平安、可靠的传送到需要信息的地方，使物品在全球范围能实现远距离大范围通信。
处理层通过云计算、数据挖掘、模式识别、预测预警等信息处理技术，实现最终的信息技术与行业的深度融合，完成物品的信息汇总、共享、预测和分析决策等功能。
应用层是农业物联网体系结构的最高层，是面向终端用户的，可以根据用户的不同需求搭建不同的操作平台，农业物联网的应用主要实现了大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品交付过程中管理者的直接参与，通过农业物联网，管理者可以更快的获取各类信息，对于突发情况，管理者可以做出更及时的反响，通过远程控制，管理者可以实现对整个农业生产线更精细的管理，管理者可以从物联网多个应用角度出发对农业进行管理，到达农业生产高产、优质、高效、生态和平安的目标。
2.3农业物联网的关键技术
农业物联网是物联网在农业领域实际应用和不断开展的产物，因此，农业物联网的
关键技术也是从物联网的关键技术开展而来的，农业物联网的关键技术主要分为以下几个方面:
农业信息感知技术，是指利用农业传感器、RFID,GPS,RS、条码等技术在任何时间、任何地点对农业领域的物体进行信息采集和获取。
农业信息感知技术主要包括以下几种:
第一种，农业传感器感知技术，在农田种植过程中，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，同样，动物的生长和繁殖过程也离不开周围环境因素的影响，这些都属于农业要素信息，及时获得这些农业要素信息是非常重要的，农业传感器可以用于采集各种农业要素信息;第二种，条码技术，该技术是集条码理论、光电技术、计算机技术、通信技术、条码印制技术为一体的自动识别技术，在农产品追溯中有广泛的应用;第三种，RFID技术，利用射频信号通过空间藕合实现无接触信息传递并通过所传递的信息到达自动识别的目的;第四种，GPS技术，即全球定位系统，是指利用卫星，在全球范围内进行实时定位和导航的技术，全球定位系统技术在农业上对农业机械田间作业和管理起到导航作用;第五种，RS技术，即遥感技术，通过遥感器获得地球上各类物体的电磁波信息，并以此为依据进行远程控测和识别，RS技术在农业上主要用于作物长势、水分、养分和产量的监测。
农业信息传输技术，是指将涉农物体通过感知设备接入到传输网络中，借助有线或无线通信网络，随时随地进行高可靠度的信息交互和共享。
农业信息传输技术主要包括以下几种:
第一种，无线传感器网络，通常被设计成鲁棒性强、稳定性好、低功耗低本钱并且操作与维护简单的多跳自组织网络，负责感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息，无线传感网络主要应用在大田灌溉、农业资源监测、水产养殖、农产品溯源等方面:
第二种，移动通信技术，随着农业信息化水平的提高，移动通信技术逐渐成为农业信息远距离传输的关键技术，移动通信技术的开发与应用极大的推进了我国农业向现代农业开展的进程。
农业信息处理技术，是以农业信息知识为根底，采用各种智能计算方法和手段，使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动地实现与用户的沟通。
农业信息处理技术主要包括以下几种:
第一种，农业预测预警技术，农业预测能够
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