第一章 绪论
1.1 研究背景
物联网是近年来以信息感知技术、网络传输技术等传统技术为基础，在前置技术快速发展和高度融合的基础上衍生出来的一种新型的综合化信息技术[1]。作为时下最为流行的信息技术之一，它正以前所未有的速度应用于社会、经济和人类生活各个领域，堪称一场新的技术产业革命[2]。
物联网(IOT)概念在上世纪 90 年代开始逐渐发展，从那时起，相关学科领域的各界研究人士就开始投入大量的人力物力涉入这一领域[3]。2005 年 11 月，国际电信联盟发布了题为《ITU Internet reports 2005—the Internet of things》的报告，物联网概念也是在这篇报告中正式地提出了了，这篇报告的发表也使得世界各国都开始关注物联网领域[4]。这个报告当中从两个方面给出了关于物联网的解释，但并没有给出明确的定义。
从功能角度而言，国际电信联盟认为“世界上的任何物体都可以实现通过 Internet 进行数据交流，实现任何事物在任何时间之间的数据交互[5]。而从技术角度来看，国际电信联盟认为物联网技术涉及到的学科领域非常广泛，主要应用到的技术有射频识别技术、传感器技术、纳米技术等[6]。可以说，物联网是一类集通信、感知与计算于一体的综合领域，它的发展和应用不仅仅使人与人之间的交流变得更加便捷，而且能够使人与物、物与物之间建立起有效的交流通道，使得生物与非生物和非生物之间的交流变为可能[7]，根据学界预想，物联网的进一步发展最终的形态为人类社会与信息空间和物理世界融为一体[8]。
藜麦原产于南美洲西海岸的安第斯山区，和玉米一道，是该地区的印加土著居民主要的食物来源，有着 7000 多年的驯化栽培历史[9]。从约公元前 3000 年起，藜麦就被驯化成为了安第斯山区的重要粮食作物，在古印加帝国的所有粮食作物中，藜麦的地位仅次于玉米。但自 1532 年西班牙人征服拉丁美洲以来，土豆和大麦等作物占据了主要地位，但随着安第斯山脉地区绿色革命的相继失败和干旱的加剧，藜麦再次被广泛种植[10]。自上世纪 80 年代以来，藜麦已经从一种仅有当地农民种植食用的粮食作物，转变成为了秘鲁和玻利维亚两个安第斯国家的主要出口粮食之一。自北纬 20°的哥伦比亚到南纬 40°的智利，自海平面的秘鲁海岸到海拔 3800 米的安第斯山区的高地平原，藜麦正在成为改善该地区食物结构和经济结构的重要作物。目前，整个南美洲西部地区推行藜麦商业化种植，主要面向玻利维亚、智利、厄瓜多尔和秘鲁的国内市场，以及出口日本、澳大利亚、欧洲和北美洲。
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1.2 农业物联网生产监测系统研究现状
在物联网引进农业应用发展方面，现阶段，美国和欧洲的一些发达国家开始使用资源卫星的优势对土地信息进行统筹监替。并且通过结合传感器技术、信息传输技术和 Internet等关键技术建立农业信息管理平台，实现对农业环境的自动监测，即搭建农业环境信息监测网络。
相较于国外，我国的物联网技术起步较晚但是胜在发展迅速。虽然就现阶段发展水平而言,我国的物联网技术与发达国家仍存在较大差距，但鉴于我国对物联网技术研发的重视与支持,大批量专家学者纷纷开始将研究重点投入到物联网的技术发展以及产业转化与应用方面去。在 2009 年,我国开展了“感知中国”战略。并于 2009 年 10 月，成功完成了 “唐芯一号”的研发，它是第一个有关物联网的重要芯片[12]。2012 年,我国的《物联网概述草案》的顺利通过，标志着全球范围内第一个物联网标准的诞生[13]。在 2013 年，针对传感器性能等束缚现阶段物联网产业发展的突出问题，无锡市花巨资扶持传感器产业，以此方式提升国内传感器领域的研究水平，促进物联网的智能应用[14]。
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第三章 生产监控系统实现 ............................................. 21藜麦原产于南美洲西海岸的安第斯山区，和玉米一道，是该地区的印加土著居民主要的食物来源，有着 7000 多年的驯化栽培历史[9]。从约公元前 3000 年起，藜麦就被驯化成为了安第斯山区的重要粮食作物，在古印加帝国的所有粮食作物中，藜麦的地位仅次于玉米。但自 1532 年西班牙人征服拉丁美洲以来，土豆和大麦等作物占据了主要地位，但随着安第斯山脉地区绿色革命的相继失败和干旱的加剧，藜麦再次被广泛种植[10]。自上世纪 80 年代以来，藜麦已经从一种仅有当地农民种植食用的粮食作物，转变成为了秘鲁和玻利维亚两个安第斯国家的主要出口粮食之一。自北纬 20°的哥伦比亚到南纬 40°的智利，自海平面的秘鲁海岸到海拔 3800 米的安第斯山区的高地平原，藜麦正在成为改善该地区食物结构和经济结构的重要作物。目前，整个南美洲西部地区推行藜麦商业化种植，主要面向玻利维亚、智利、厄瓜多尔和秘鲁的国内市场，以及出口日本、澳大利亚、欧洲和北美洲。
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1.2 农业物联网生产监测系统研究现状
在物联网引进农业应用发展方面，现阶段，美国和欧洲的一些发达国家开始使用资源卫星的优势对土地信息进行统筹监替。并且通过结合传感器技术、信息传输技术和 Internet等关键技术建立农业信息管理平台，实现对农业环境的自动监测，即搭建农业环境信息监测网络。
相较于国外，我国的物联网技术起步较晚但是胜在发展迅速。虽然就现阶段发展水平而言,我国的物联网技术与发达国家仍存在较大差距，但鉴于我国对物联网技术研发的重视与支持,大批量专家学者纷纷开始将研究重点投入到物联网的技术发展以及产业转化与应用方面去。在 2009 年,我国开展了“感知中国”战略。并于 2009 年 10 月，成功完成了 “唐芯一号”的研发，它是第一个有关物联网的重要芯片[12]。2012 年,我国的《物联网概述草案》的顺利通过，标志着全球范围内第一个物联网标准的诞生[13]。在 2013 年，针对传感器性能等束缚现阶段物联网产业发展的突出问题，无锡市花巨资扶持传感器产业，以此方式提升国内传感器领域的研究水平，促进物联网的智能应用[14]。
由于我国目前农业的发展形势比较严竣,科技含量较低，生产效率较低，生产方式落后，90 年代，我国高度重视农业中科技的应用，积极的向农业发达的国家学习。为此，我国同以色列签订了许多农业合作项目，其目的在于通过引进先进技术推动我国农业发展。从本世纪前后开始，我国开始了自主研发，引进发达国家的先进思想和理念，联系我国的实际情况,开发自己的技术，取得了长足的进步。主要成绩有：做了大量的理论工作，构建了农作物生长环境理论模型； 在我国计算机和自动控制技术取得巨大进步的背景下，逐步的引入到农业领域；网络技术引入农业环境监测之中，分布式和异地控制技术也己开始研究。当前，物联网虽然兴起不久，但是发展很快，但是目前在农业领域的应用程度仍然不高，发展空间巨大。目前，中国在智能农业、农产品监管等领域已经取得了一定成果。
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第二章 系统架构与设计
2.1 系统模块架构
数据服务器是本系统的监控核心，借助无线物联网传感器射频实现系统整体的互联，进而完成无线全程通讯[35]。此监控系统由三部分组成：网关监控平台、无线物联网传感器数据采集平台以及远程监控中心。光照传感器和温湿度传感器等分别连接在终端节点，借助无线物联网传感器，将田地内实时采集的数据上传到网关[36]。在网关汇总并分析数据，进而控制采光系统、喷淋系统及热循环系统的工作任务状态，并对农业大棚内的环境进行调节。网关平台将整套数据借助以太网全部传输至远程监控中心，在此进行数据储存，并可在网页的中心界面上实时显示。同时根据预先设置的环境阈值判断当前环境是否需要预警，达到监控、预警、控制三方面并行的目的[37]。
2.1 系统模块架构
数据服务器是本系统的监控核心，借助无线物联网传感器射频实现系统整体的互联，进而完成无线全程通讯[35]。此监控系统由三部分组成：网关监控平台、无线物联网传感器数据采集平台以及远程监控中心。光照传感器和温湿度传感器等分别连接在终端节点，借助无线物联网传感器，将田地内实时采集的数据上传到网关[36]。在网关汇总并分析数据，进而控制采光系统、喷淋系统及热循环系统的工作任务状态，并对农业大棚内的环境进行调节。网关平台将整套数据借助以太网全部传输至远程监控中心，在此进行数据储存，并可在网页的中心界面上实时显示。同时根据预先设置的环境阈值判断当前环境是否需要预警，达到监控、预警、控制三方面并行的目的[37]。
针对藜麦产业链，对各关键端点进行分析。考虑到藜麦生产环节的参与者较多，分布较为分散，为确保追溯准确性，将系统分为物理层、数据层、网络层、服务层及企业应用接入端口，其体系架构如图 2-1：
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2.2 硬件及数据采集层设计
2.2.1 传感器节点的选型设计
在藜麦的种植的环节中，为了能够在良好的条件与环境下促进种苗生长，应当对其生长环境的参数和指标进行实时监测，所以在藜麦生产监测系统的设计中搭建起了一套传感器采集节点平台，该平台由传感器和芯片构成，以实时采集和传输藜麦生产环境信息参数[42]。
首先，本系统中选取了型号为 CC2530 的芯片作为 ZigBee 网络中传感器信息发送模块，该芯片由德州电子仪器公司研发，是广泛应用于物联网络的 CC2430 芯片的升级版。CC2530 芯片主要应用于 2.4-GHz IEEE 802.15.4, ZigBee 和 RF4CE 的片上系统（SOC）[43]。相比于上一代，CC2530 依靠其内置的增强型 8051 CPU，具有了更好的信息收发能力[44]。并且系统内具有可编程的闪存部分，使其除了有收发信息的能力外，更能够进行物联网编程，它更有着 8KB 的 RAM，因为这些更强大功能，使其在 ZigBee 芯片领域非常受欢迎。为了使它能够满足一些超低功耗的开发要求，德州电子为 CC2530 芯片研发了不同的运行和休眠的模式[45]。并且，德州电子公司依托 CC2530 系列 ZigBee 芯片，更发布了业界广为流行的领先技术：黄金单元 ZigBee 协议栈一一 Z-StackTM，本系统的 ZigBee 传感部分既是使用 CC2530 芯片和 Z-StackTM 协议栈共同组建的完整 ZigBee 系统。在 ZigBee 模块无线射频部分选取方面，本系统采用了同样研发自美国德州电子仪器公司的标准 pcb 天线的设计，与 CC2530 芯片结合，在满足收发条件的情况下，减小了整个传感器节点的大小[46]。
CC2530 型芯片与 CC2430 型芯片对比见表 2-1：
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2.2.1 传感器节点的选型设计
在藜麦的种植的环节中，为了能够在良好的条件与环境下促进种苗生长，应当对其生长环境的参数和指标进行实时监测，所以在藜麦生产监测系统的设计中搭建起了一套传感器采集节点平台，该平台由传感器和芯片构成，以实时采集和传输藜麦生产环境信息参数[42]。
首先，本系统中选取了型号为 CC2530 的芯片作为 ZigBee 网络中传感器信息发送模块，该芯片由德州电子仪器公司研发，是广泛应用于物联网络的 CC2430 芯片的升级版。CC2530 芯片主要应用于 2.4-GHz IEEE 802.15.4, ZigBee 和 RF4CE 的片上系统（SOC）[43]。相比于上一代，CC2530 依靠其内置的增强型 8051 CPU，具有了更好的信息收发能力[44]。并且系统内具有可编程的闪存部分，使其除了有收发信息的能力外，更能够进行物联网编程，它更有着 8KB 的 RAM，因为这些更强大功能，使其在 ZigBee 芯片领域非常受欢迎。为了使它能够满足一些超低功耗的开发要求，德州电子为 CC2530 芯片研发了不同的运行和休眠的模式[45]。并且，德州电子公司依托 CC2530 系列 ZigBee 芯片，更发布了业界广为流行的领先技术：黄金单元 ZigBee 协议栈一一 Z-StackTM，本系统的 ZigBee 传感部分既是使用 CC2530 芯片和 Z-StackTM 协议栈共同组建的完整 ZigBee 系统。在 ZigBee 模块无线射频部分选取方面，本系统采用了同样研发自美国德州电子仪器公司的标准 pcb 天线的设计，与 CC2530 芯片结合，在满足收发条件的情况下，减小了整个传感器节点的大小[46]。
CC2530 型芯片与 CC2430 型芯片对比见表 2-1：
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3.1 硬件及系统架构实现 ........................................ 21
3.2 数据模块实现 .................................................. 23
3.3 网络架设实现 ............................. 25
第四章 基于模糊综合评价的藜麦种植环境评估模型 ........................................ 32
4.1 背景概述 ................................................ 32
4.2 模糊综合评价方法 ........................................ 32
4.3 模型概述 ........................... 33
第四章 基于模糊综合评价的藜麦种植环境评估模型
4.1 背景概述
藜麦种植在我国正处于大面积扩张的一个阶段，虽然从 80 年代就开始在西藏试种，但直到近 5-10 年，藜麦才更多地出现在食物市场上，而各地也开始纷纷引进这一优质作物进行推广种植[52]。纵观我国在藜麦种植方面有优异表现的地区，无外乎‘高’、‘寒’二字[53]。这样的种植表现与藜麦的老家有密切的关系，这类原产于安第斯山脉的作物喜光照，抗寒、抗旱能力强，所以在我国，拥有相似气候条件的地区，藜麦种植的表现也较好。我国山西静乐、甘肃临夏等地的成功先例也吸引了更多的‘高’、‘寒’地区的关注，这类地区本身能够发展的农业作物种类就比较少，像藜麦这样适应能力强、抗逆性强、经济效益好的作物，更是非常难得[54]。可是经过一段时间的引进试种，很多地区遇到了藜麦产量远远不如预期的困境。看上去适宜的气象条件，适应能力强的作物品种，却并没有碰撞出想象中强烈的火花。那么回看这样的问题，抛去田间管理经验这样的人为因素，从最开始的选址出发，难道所谓‘高’，‘寒’地区就真的全部适合种植藜麦么？又或是什么样的气象条件是适宜种植藜麦的呢？如果适宜的话又适宜到什么样的程度呢？
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4.1 背景概述
藜麦种植在我国正处于大面积扩张的一个阶段，虽然从 80 年代就开始在西藏试种，但直到近 5-10 年，藜麦才更多地出现在食物市场上，而各地也开始纷纷引进这一优质作物进行推广种植[52]。纵观我国在藜麦种植方面有优异表现的地区，无外乎‘高’、‘寒’二字[53]。这样的种植表现与藜麦的老家有密切的关系，这类原产于安第斯山脉的作物喜光照，抗寒、抗旱能力强，所以在我国，拥有相似气候条件的地区，藜麦种植的表现也较好。我国山西静乐、甘肃临夏等地的成功先例也吸引了更多的‘高’、‘寒’地区的关注，这类地区本身能够发展的农业作物种类就比较少，像藜麦这样适应能力强、抗逆性强、经济效益好的作物，更是非常难得[54]。可是经过一段时间的引进试种，很多地区遇到了藜麦产量远远不如预期的困境。看上去适宜的气象条件，适应能力强的作物品种，却并没有碰撞出想象中强烈的火花。那么回看这样的问题，抛去田间管理经验这样的人为因素，从最开始的选址出发，难道所谓‘高’，‘寒’地区就真的全部适合种植藜麦么？又或是什么样的气象条件是适宜种植藜麦的呢？如果适宜的话又适宜到什么样的程度呢？
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结论
本文通过运用物联网技术、ZigBee 网络、以太网络、My SQL 数据库、C#语言及 tableau软件搭建了一整套基于物理网的藜麦生产监控系统，通过模块化设计，将系统分割为物理模块、数据模块、网络模块、应用层模块、数据 BI 模块五个部分。并针对某一地区气象环境因素对种植藜麦作物的适宜程度这一问题，建立了基于模糊综合评价的种植环境评估模型，对有开展藜麦种植意愿的地区进行气象环境评价。根据预定模块设计及实现方法，系统和模型实现内容如下：
本文通过运用物联网技术、ZigBee 网络、以太网络、My SQL 数据库、C#语言及 tableau软件搭建了一整套基于物理网的藜麦生产监控系统，通过模块化设计，将系统分割为物理模块、数据模块、网络模块、应用层模块、数据 BI 模块五个部分。并针对某一地区气象环境因素对种植藜麦作物的适宜程度这一问题，建立了基于模糊综合评价的种植环境评估模型，对有开展藜麦种植意愿的地区进行气象环境评价。根据预定模块设计及实现方法，系统和模型实现内容如下：
（1）根据系统需求和现阶段主流传感器技术，选取了藜麦生长主要环境指标对应的监测传感器，选取主流的 CC2530 型芯片作为传感器部分的核心，并集成了基于 RS232 协议的 ZigBee 协调器，实现了一组能够自行监测主要指标通过 ZigBee 网络向协调器发送数据，并由协调器通过向其他模块及各类服务器发送信息的传感模块。 此外，还根据系统需求和低成本、稳定运行等考量，选定架设了网络设备及各类服务器，为上层模块的实现提供物理基础。
（2）在底层的数据库服务器基础上，运用 My SQL 数据库构建了一套完整的、具有强关联性的数据库表建立底层基础数据库 4 个，底表 25 个，并基于数据安全和稳定考量，建立中间表和作库表备份，搭建了一个稳定的数据平台。
（3）首先根据系统信息传输需求进行网络模块设计，并用visio软件绘制网络模拟图，再使用 cisco packet tracer 软件，进行网络划分和模拟实现，最终在网络设备上实现了设计网络的连通，并根据网络的安全需求对网络进行了 SSL 协议加密。
（2）在底层的数据库服务器基础上，运用 My SQL 数据库构建了一套完整的、具有强关联性的数据库表建立底层基础数据库 4 个，底表 25 个，并基于数据安全和稳定考量，建立中间表和作库表备份，搭建了一个稳定的数据平台。
（3）首先根据系统信息传输需求进行网络模块设计，并用visio软件绘制网络模拟图，再使用 cisco packet tracer 软件，进行网络划分和模拟实现，最终在网络设备上实现了设计网络的连通，并根据网络的安全需求对网络进行了 SSL 协议加密。
（4）根据系统的各模块主要数据展示需求设计并实现了电脑端主要数据的实时展示界面，并为通过互联网远程访问的监控者开发了手机端访问 app，满足了监控者对主要监测指标的实时访问需求。
（5）首先基于监测者的其他监测需求制作基于底表数据查询制成中间表，并由 tableau软件连接系统数据库进行辅助监测视图的制作，
（5）首先基于监测者的其他监测需求制作基于底表数据查询制成中间表，并由 tableau软件连接系统数据库进行辅助监测视图的制作，
tableau 视图作为主要指标以外的辅助监测系统，解决了传统软件式监测系统维护成本高、迭代慢、显示指标有限等弊病，为监测者提供了多维度、可拓展的监测工具，大大提高了藜麦生产监测的自由度。
参考文献（略）
参考文献（略）