基于WSN与GPRS的果园环境与害虫发生监测平台

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果园农情信息,例如果树的生长发育、开花结果与温湿度、日照、风、海拔、地形、坡向和土壤环境等,它的有效获取和害虫的现场自动监测对果园生产和管理具有重大的研究价值。本文针对我国南方丘陵地带的果园产区气候高温多雨、温暖湿润,且果树物候期长,害虫种类多、监测与防治困难,病害虫严重等特点,综合应用现代传感器检测技术、无线传感器网络技术和GPRS移动网络技术,设计了基于WSN与GPRS的果园环境与害虫发生监测平台,实现对果园环境与害虫发生的远程实时监测。  本文完成的主要研究内容及成果包括:  (1)通过多组不同的传感器进行采集果园环境与害虫发生信息;  (2)采用星形网络拓扑结构规划了基于无线传感器网络的果园环境与害虫发生监测平台,以实现数据采集可靠和有序传递;  (3)设计了基于ARM和GPRS的嵌入式网关,实现WSN与GPRS的对接与数据稳定传输,达到对果园区域的特定网络化和对专属无线传感器网络的远程访问的目的;  (4)针对果园监测的地域特点,对节点系统和网关系统分别设计了太阳能供电系统,以实现整个平台长期不问断工作,以满足监测平台长期野外工作的需求;  (5)根据果园WSN监测的应用特点,综合考虑果园生长条件的监测需求、传感器功耗、测量精度、成本等因素,设计了两款基于光电传感器的害虫传感器、一款光照强度传感器,并选用了EC-5和5TE土壤传感器、DHT11空气温度度传感器、MTR-2降雨量传感器、TTL8风速传感器和K16风向传感器。传感器均经过标定与测试,性能满足平台监测需求;  (6)对果园监测平台进行了供电与传输综合性能测试。由6V12Ah蓄电池及12V20W太阳能充电板组成的节点供电系统能满足至少48h野外工作的需求。由12V12Ah蓄电池及基于MPPT的双轴自动跟踪太阳能发电装置组成的网关供电系统能实现高功率和高效的供电,满足网关至少24h野外工作的需求。果园监测平台丢包率低于1%,能够实现稳定、可靠的数据传输。  (7)部署果园监测平台到柑橘试验园进行长期应用测试,测试时间为2011年8月18日至2012年2月10日。根据对区域环境信息和土壤环境信息监测结果进行分析,验证了关于温度是决定害虫发生的关键因子的理论。通过建立害虫-温度相关模型,进行了害虫与温度的初步回归分析,获得害虫发生短期预测模型,R2为0.72。利用时间序列分析,建立了指数平滑模型对害虫发生情况进行拟合,拟合模型R2为0.785,平稳的R2为0.654,结果较好地反映了害虫发生的季节性特征。
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