基于时空数据融合理论的冷链温度监控系统

针对易腐农产品冷链物流过程中温度传感器所采集的大量数据,提出时间-空间数据融合理论,并将之应用于易腐农产品冷链物流温度监控系统中,使采集数据能准确地反映冷藏车厢运行状况。首先,对单传感器采用分批估计方法,按照时间先后对观测值进行数据融合,得到每个传感器的局部温度估计值;然后,对单个传感器局部估计值采用自适应调节各传感器权重的方法,对位于空间不同位置的传感器进行数据融合,从而得到冷链车厢监测温度的最终融合值,以期获得比有限个传感器的算术平均值更准确和更可靠的测量结果,以提高信息收集的效率,实现网络节能。数据分析表明,处理后的数据更接近测量真实值。     

基于WSN的水产品冷链物流实时监测系统

为降低水产品物流损耗、提高水产品冷链物流信息化程度,以ZigBee协议为基础,围绕CC2530型无线传感片上系统,设计了基于无线传感网络(WSN)的水产品冷链物流实时监控系统。系统包括用于采集温度数据的监测节点、用于ZigBee网络组织与数据汇聚的协调器节点和用于实时监测、数据存储和网络控制的远程管理系统。冷链环境系统测试表明监测系统能够应用于水产品冷链物流仓储和运输的全过程,监测节点在变温箱温度-18℃时工作可靠。通信性能测试表明使用-3 dBm射频功率在30 m通信范围内丢包率小于8.4%,节点通信能耗低。     

基于SPC的农产品冷链物流感知数据压缩方法

针对无线传感器网络实时监控的农产品冷链物流环境中,传感器节点的感知数据传输频率高、能耗高和监测时间短的问题,提出基于统计过程控制( SPC)的感知数据压缩方法,设计了适用于传感器节点数据处理的动态-单值-滑动极差(D-X-Rs)算法.通过冷链物流环境试验仿真,对比了D-X-Rs算法、阈值算法和K-滑动均值算法的数据压缩性能.结果表明,D-X-Rs算法数据的每数据点压缩开销(CCP)在温度稳定和波动状态均与最优方法所得结果接近,具有良好的平衡性和适应性.     

基于改进K-means算法的WSN簇头节点数据融合

无线传感器网络数据融合能够减少节点能耗、延长网络生命周期,近年来受到了广泛关注。已有的应用于农业监测的空间数据融合算法多采用取平均值等方法将一定区域内监测到的数据融合成一个值。而农田环境监测具有监测范围广、监测点多、监测数据量大的特点,监测数据间除了冗余性还具有差异性,因此数据融合应该在消除冗余的同时保留数据的差异。针对农业监测的这一特点,提出在簇头节点应用聚类算法进行空间数据融合,通过聚类减少数据发送量,降低能耗;同时将差异较大的参量聚类到不同类别中以保留数据间的差异。此外,还提出了一种应用于WSN簇头节点的自适应改进K-means聚类算法,仿真结果表明,所提算法融合后的数据上传量比没有融合减少41.19%,消除了数据冗余;算法融合前后最大误差低于取平均值法误差的36%,保留了数据差异性。在没有明确误差要求时, 该算法能够在尽量减少数据上传量的同时保持相对误差低于10%,避免了因聚类个数不当引起的巨大误差。而在有具体误差要求时,该算法融合前后的绝对误差严格低于要求误差。     

基于DSP和模糊神经网络种蛋识别系统

针对传统的无线传感器网络监测农田范围小、采样频率不足和能耗高等问题,本文设计了基于簇状结构的无线传感器网络监控系统.能实现对玉米田环境参数的测量.该网络拓扑结构是簇状结构,分为2个簇,8个终端采集节点,2个簇首节点和1个汇聚节点.为延长生存期、降低能耗,节点采用定时休眠,依据节点功能采用不同供电模块,简化协议固定簇内终端节点和簇首的位置.设计WSN-CFM (Corn Field Monitoring)系统能实现近端计算机控制信息采集、处理、传输和存储农田参数变化状况.试验节点部署在玉米田,8个终端节点有7个终端节点数据的传输正确率均超过85%,正确率较低的节点更换电池后可正常工作.系统是能实现稳定传输,适合对玉米田环境参数实时监测.     

用于作物表型信息边缘计算采集的认知无线传感器网络分簇路由算法

随着无线终端数量的快速增长和多媒体图像等高带宽传输业务需求的增加，农业物联网相关领域可预见地会出现无线频谱资源紧缺问题。针对基于传统物联网的作物表型信息采集系统中存在由于节点密集部署导致数据传输过程容易出现频谱竞争、数据拥堵的现象以及固定电池的网络由于能耗不均衡引起监测周期缩减等诸多问题，本研究建立了一个认知无线传感器网络（CRSN）作物表型信息采集模型，并针对模型提出一种引入边缘计算机制的动态频谱和能耗均衡（DSEB）的事件驱动分簇路由算法。算法包括：（1）动态频谱感知分簇，采用层次聚类算法结合频谱感知获取的可用信道、节点间的距离、剩余能量和邻居节点度为相似度对被监控区域内的节点进行聚类分簇并选取簇头，构建分簇拓扑的过程对各分簇大小的均衡性引入奖励和惩罚因子，提升网络各分簇平均频谱利用率；（2）融入边缘计算的事件触发数据路由，根据构建的分簇拓扑结构，将待检测各区域变化异常表型信息触发事件以簇内汇聚和簇间中继交替迭代方式转发至汇聚节点，簇内汇聚包括直传和簇内中继，簇间中继包括主网关节点和次网关节点-主网关节点两种情况；（3）基于频谱变化和通信服务质量（QoS）的自适应重新分簇：基于主用户行为变化引起的可用信道改变，或分簇效果不佳对通信服务质量产生的干扰，触发CRSN进行自适应重新分簇。此外，本研究还提出了一种新的能耗均衡策略去能量消耗中心化（假设sink为中心），即在网关或簇头节点选取计算式中引入与节点到sink的距离成正比的权重系数。算法仿真结果表明，与采用K-medoid分簇和能量感知的事件驱动分簇(ERP)路由方案相比，在CRSN节点数为定值的前提下，基于DSEB的分簇路由算法在网络生存期与能效等方面均具有一定的改进；在主用户节点数为定值时，所提算法比其它两种算法具有更高频谱利用率。     

基于粒子群与模拟退火协同优化的农田物联网混合多跳路由算法

农业无线传感器网络对农田土壤、环境和作物生长的多源异构信息的获取起关键作用。针对传感器在农田中非均匀分布且受到能量制约等问题，本研究提出了一种基于粒子群和模拟退火协同优化的农田物联网混合多跳路由算法（PSMR）。首先，通过节点剩余能量和节点度加权选择簇首，采用成簇结构实现异构网络高效动态组网。然后通过簇首间多跳数据结构解决簇首远距离传输能耗过高问题，利用粒子群与模拟退火协同优化方法提高算法收敛速度，实现sink节点加速采集簇首中的聚合数据。对算法的仿真试验结果表明，PSMR算法与基于能量有效负载均衡的多路径路由策略方法（EMR）相比，无线传感器网络生命周期提升了57%；与贪婪外围无状态路由算法（GPSR-A）相比，在相同的网络生命周期内，第1个死亡传感器节点推迟了两轮，剩余能量标准差减少了0.04 J，具有良好的网络能耗均衡性。本研究提出的PSMR算法通过簇首间多跳降低远端簇首额外能耗，提高了不同距离簇首的能耗均衡性能，为实现大规模农田复杂环境的长时间、高效、稳定地数据采集监测提供了技术基础，可提高农业物联网的资源利用效率。     

农产品物流运输装备智能监测与跟踪技术

针对农产品物流的特点,提出了一种基于无线传感器网络和无线数据传输技术的农产品物流运输装备智能监测与跟踪系统;建立了冷藏集装箱(冷藏车)内部参数监控的无线传感器网络,通过智能终端与无线移动网络和INTERNET的无缝连接,实现数据传输到指定数据服务器.无线传感器网络采用星型拓扑结构,通过软件设置在需求时唤醒无线传感器网络节点.实际应用表明,该系统工作性能稳定,在数据采集和传输等方面均达到了设计要求.     

基于ZigBee的温室房间温度传感器数据融合技术

介绍了ZigBee的技术特征,构建了一种基于ZigBee技术的低成本和低功耗温室温度无线传感器网络,并采用网内数据融合和神经网络的数据融合方法,提高了网络的整体效率,减少了数据传输量,降低了能耗,消除了单一传感器节点限制引起的误差,从而获得了更为精准的温值,提高了控制精度.     

基于情景感知数据融合的农业物联网监测模型研究

在传统农业逐步向智能农业发展的过程中,需要对农作物生长的各种环境数据进行监测。为此,设计一种能够监测农作物生长环境数据的系统。该系统采用无线传感器网络,基于ZigBee技术实现传感器节点间的数据传输。利用LEACH算法进行网络数据融合,提高无线传感器网络的存活时间。通过卡尔曼滤波完成节点间的数据融合,提升系统的数据采集精确度。试验结果表明,当网络传输300帧后,系统大部分节点仍然是存活的,与实际人工采集结果基本相同,温度误差小于0.2℃,二氧化碳浓度误差小于4 ppm,光照强度误差小于1 Lux。     

基于WSN的北美冬青鲜切枝冷链全过程监测系统

为了保证北美冬青鲜切枝冷链物流过程中的品质，提高冷链物流过程的可追溯性和透明度，以433MHz为发射频率，温湿度和气体环境为关键参数，设计了面向北美冬青鲜切枝冷链物流的无线实时监测系统。系统包括从传感器节点、主传感器节点和远程监测系统。从传感器节点集成了温湿度传感器、CO2传感器和乙烯传感器，主传感器节点用于建立和维护无线传感网络和汇集数据，远程监测系统用于远程实时监控。同时，对传感器节点的标定、准确性和功耗进行测试，并且将该系统应用于北美冬青冷链实地监测。结果表明，监测系统能够很好地应用于北美冬青存储和运输全过程，且能够稳定、准确地监测冷链环境温度、相对湿度、CO2和乙烯体积分数等关键参数的变化过程，有效反映了北美冬青鲜切枝的品质变化。     

基于低功耗的发射功率自适应水稻田WSN监测系统

针对农田环境信息监测存在能量有限、节点通信距离各异等特点,设计了一种基于接收信号强度和丢包率的发射功率自适应水稻田监测系统,并搭建了一个长期、稳定且可靠的低功耗无线传感网络。硬件方面,为扩大网络的覆盖范围和提高系统的稳定性,采用频率异构的方式对节点分簇,为不同类型的节点配置不同类型的天线。软件方面,为提高CPU利用率,各类节点程序设计采用基于小型嵌入式实时操作系统FreeRTOS;为降低功耗,采取定时休眠唤醒、传感器掉电控制的工作模式和基于感知数据差的低功耗自适应机制。试验结果表明,在150 m通信距离内,系统可以根据当前的通信质量,将节点的发射功率自适应地调整到实现当前通信可靠性所要求(丢包率小于1.3%)的最小发射功率上;对比10 d Bm固定发射功率,当发射功率自适应算法调整为8、6、3 d Bm时,节点续航能力分别提升了11.9%、21.4%和33.3%。通讯性能对比表明,本设计节点的通讯性能明显优于其他3种基于不同发射功率自适应算法的节点,从而验证了本系统的可靠性与实用性。     

数据融合技术在温室温度检测中的应用

根据温室环境中空间大,温度场分布受到各种参数影响大等特点,提出了采用数据融合方法来处理温室中采集到的传感器数据,采用分布图法剔除疏失误差,采用基于均值的分批估计的融合方法对采集的数据进行处理,提高了温度采集的精度,同时有效地消除了由于传感器失效引起的误差。     

鲜食葡萄冷链物流气体传感器响应特征试验研究

随着冷链耦合保鲜/气调技术的发展,气体成分参数已经成为鲜食葡萄冷链物流监测与追溯的重要指标之一。针对现有气体传感器不能满足冷链物流监测与追溯的高精度和微量化需求,选取CO2、O2和SO2为基本参数,利用基于时域特征参数提取方法,研究气体传感器静态、动态响应的特征参数,用线性回归法进行优化,筛选最佳特征参数。研究结果表明,鲜食葡萄冷链物流O2和SO2传感器最佳特征参数分别为空气中的响应基值Xa、稳态响应幅值Xg、响应速度Dres、响应恢复速度Drec、响应时间tres、响应恢复时间trec和响应幅值的累积Int Pres,其中,CO2传感器响应幅值的累积特征低于O2和SO2传感器。最佳特征参数能够对冷链物流中具有累积效应的气体传感信号进行有效地特征分析,进一步提高冷链物流气体传感器应用及监控的精度、灵敏度和稳定性。     

基于区块链的三文鱼冷链多链协同监管模型研究

在冷链行业集群式发展的背景下,为解决在三文鱼冷链多链协同过程中由于监管数据持续性与碎片化所带来的跨链签名数据传输且真实性验证效率缓慢的问题,设计了基于区块链的三文鱼冷链多链协同监管模型,该模型包括基于聚合签名算法的数据验证与冷链模式监管的方法,该方法在提升跨链监管数据真实性验证效率的同时保证了三文鱼冷链监管的细粒度与完整性。最后,基于以太坊平台实现了三文鱼冷链多链协同监管模型的原型系统。经系统性能测试,在监管性能方面,多链架构监管性能相较于单链架构平均提高17.98%,且随着区块链交易增多,多链架构监管性能优势将更加明显;在真实性验证效率方面,根据验证时间曲线的趋势线斜率分析,传统验证算法的斜率为57.448,而聚合签名算法的斜率为0.553。这表明随着签名数量的增加,聚合签名算法在验证效率方面具有明显的优势;在通信消耗方面,传统签名算法所需要的签名通信量在理论极限值下最多可达到4875B,而聚合签名算法所需的签名通信量即使在未压缩的情况下也一直保持在96B。测试结果表明,在三文鱼冷链场景中,聚合签名与验证的方法在数据批量传输批量验证的条件下具有良好的效率优势,为可信冷链监管、集群式冷链发展提供借鉴与参考。     

面向大规模农田生境监测的无线传感器网络节能优化策略

针对大规模农田生境监测场景中无线传感器网络节点在部分作物生长期内呈现节点空间冗余,以及传感器节点采集到的数据之间通常具有很强的时间关联性的特点,本研究提出一种基于矩阵补全的两步节能优化策略来同时降低传感器网络的数据采集和传输能耗,以实现延长网络寿命的目的。该算法首先通过对节点数据信息量的衡量来寻找出空间上的非冗余节点,剩余的冗余节点关闭其采集功能,只作为中继节点传输数据;其次,利用矩阵补全算法的部分采样原理在采样阶段进一步减少时间上的数据冗余量,达到同时降低采集和传输模块能耗的目的。试验结果表明,所提出的算法可减少网络中83%的工作节点数目,有效降低了网络能耗。     

基于事件驱动与数据融合的温室WSN节能传输模型

针对温室内环境信息变化缓慢、冗余度大和时间空间相关性强的特点,提出了基于事件驱动与支持度融合的温室环境监测无线传感器网络(WSN)的节能传输模型。利用所建立的数据节能传输模型进行了温室环境试验,结果表明采用基于事件驱动的数据传输模型能够减少83.8%数据传输次数,基于支持度函数的数据融合能够根据数据之间的关联程度计算出各原始数据的加权值,融合效果优于算术平均值。