复杂环境生态物联网监测关键技术原理与实践

针对极端环境下生态监测难点，本书从理论架构、硬件研发到系统应用展开全链条分析。突破生态物联网极端环境（高温、高寒、信号弱）下的硬件瓶颈，以低功耗和无线传输为技术核心，设计面向野外场景的生态数据采集、无线传感网、数据传输及能量动态分配等技术典型应用场景。融合数学模型、算法仿真与真实环境测试数据，形成覆盖“感知-传输-管理”全环节的技术体系，为生态数据实时采集、灾害预警及生物多样性保护提供可靠的解决方案。

新疆科技进步二等奖1次，中国地理信息产业协会科技进步一等奖1次

目录
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 生态环境监测的常用通信方式 1
1.3 生态环境无线传感器网络 2
1.4 无线传感器网络能量收集技术 3
第2章 生态物联网理论基础 5
2.1 传感器的介电常数测定基础 5
2.1.1 介电常数理论基础 5
2.1.2 传输线矢量反射理论 7
2.1.3 终端开路传输线阻抗计算 10
2.1.4 观测对象的反射系数测量 11
2.2 无线通信技术 12
2.2.1 概述 12
2.2.2 LoRa通信技术 13
2.3 无线传感器网络路由协议 15
2.3.1 无线传感器网络体系结构 15
2.3.2 无线传感器网络路由算法 17
2.3.3 分簇路由协议 20
第3章 极端环境下土壤水分智能采集系统研发 24
3.1 矢量反射法测量冻土未冻水含量的理论分析 24
3.1.1 冻土未冻水含量与介电常数的关系 24
3.1.2 冻土未冻水含量反演 26
3.2 基于矢量反射原理的冻土未冻水含量传感器设计 26
3.2.1 整体方案设计 26
3.2.2 传感器信号源设计 27
3.2.3 传感器探头设计 29
3.2.4 冻土未冻水含量测量的相关信号采集与处理 34
3.2.5 冻土未冻水含量传感器整体电路设计 42
3.2.6 传感器封装 44
3.2.7 传感器可靠性验证 44
3.3 基于介电常数的冻土未冻水含量反演算法 53
3.3.1 冻土未冻水含量反演实验方案设计 53
3.3.2 冻土未冻水含量测定 54
3.3.3 基于研发传感器的土壤冻融过程电压信号实验 58
3.3.4 土壤冻融期介电常数与温度、含水量的关系测量分析 63
3.3.5 基于介电特性的冻土未冻水含量反演 68
3.4 野外冻土未冻水含量在线监测系统研发 76
3.4.1 基于生态环境监测背景的在线监测系统总体设计 76
3.4.2 系统硬件平台设计与搭建 78
3.4.3 冻土未冻水含量在线监测系统软件设计与开发 85
3.4.4 在线监测系统测试 93
第4章 适用野外供能的太阳智能跟踪系统设计与实现 98
4.1 太阳方位检测与跟踪的理论方法 98
4.1.1 太阳方位检测方法 98
4.1.2 太阳方位跟踪方法 101
4.1.3 孪生网络目标跟踪的主要神经网络结构 104
4.2 基于图像识别的太阳方位检测算法 109
4.2.1 太阳跟踪数据集构建 109
4.2.2 太阳方位检测模型构建 113
4.2.3 太阳方位检测网络实现 122
4.3 太阳方位智能跟踪系统 126
4.3.1 太阳方位跟踪系统功能设计 126
4.3.2 太阳方位跟踪系统硬件构成 127
4.3.3 太阳方位跟踪系统软件设计 131
4.4 太阳智能跟踪系统的集成与验证 140
4.4.1 太阳智能跟踪系统集成 140
4.4.2 太阳智能跟踪系统验证 142
第5章 面向平地生态监测的无线传感网路由协议设计 147
5.1 无线传感网与多路径容错路由基础 147
5.1.1 无线传感器网络多路径容错路由协议 147
5.1.2 无线通信技术与网络层AODV协议 151
5.1.3 NS2网络模拟器 153
5.2 基于AODV的备份多路径容错路由协议 156
5.2.1 基于ZigBee无线传感器网络的AODV协议测试 156
5.2.2 面向WSN故障场景的AODV容错能力分析 164
5.2.3 FTB-AODV协议优化设计思路 167
5.2.4 FTB-AODV协议工作流程与具体实现 178
5.2.5 仿真实验与结果分析 184
5.3 基于FTB-AODV的自适应路由协议改进 193
5.3.1 FTB-AODV路由协议可靠度分析 193
5.3.2 基于自适应机制和多路径轮询调度的优化设计 194
5.3.3 仿真实验与结果分析 199
第6章 面向山地生态监测的无线传感网路由协议设计 206
6.1 LORAWAN多跳路由协议基础 206
6.1.1 LoRa通信技术 206
6.1.2 无线传感器网络MAC协议 210
6.2 基于后向均衡的稀疏监测网络多跳路由算法 212
6.2.1 面向广域山区生态监测的路由需求分析 212
6.2.2 算法设计 214
6.2.3 算法仿真与实验 218
6.3 后向均衡多跳路由协议在生态环境监测系统中的实现 222
6.3.1 生态监测系统应用场景分析 222
6.3.2 系统硬件平台 223
6.3.3 生态环境数据监测节点MAC协议设计 226
6.3.4 系统数据链路实现 233
6.3.5 生态监测系统测试分析 242
第7章 生态无线传感网的太阳能分配策略 246
7.1 太阳能收集无线传感器网络 246
7.1.1 EH-WSN能量收集来源及结构 246
7.1.2 太阳能功率预测算法 248
7.1.3 模型预测数据 250
7.1.4 模型精度评估方法 252
7.2 无线传感器网络的太阳能功率预测算法 253
7.2.1 经典太阳能功率预测模型的问题分析 253
7.2.2 基于相似时记忆矩阵的动态权重预测算法构建 257
7.2.3 多配置文件-动态权重太阳能功率预测算法精度分析 262
7.3 基于能量预测的EH-WSN能量分配策略 268
7.3.1 传统分簇路由协议在EH-WSN中存在的问题分析 268
7.3.2 基于能量预测的分簇路由协议设计 272
7.3.3 基于能量预测的分簇路由算法模拟与分析 276
第8章 生态物联网管理系统研发 286
8.1 系统研发概况 286
8.1.1 研发背景 286
8.1.2 运行环境 286
8.1.3 开发语言 287
8.2 系统实现 287
8.2.1 系统登录 287
8.2.2 主界面功能 287
8.2.3 生态监测数据管理系统 288
8.2.4 监测设备管理系统 289
8.2.5 系统管理 290
参考文献 292