农田土壤水分无线地下传感器监测网络关键技术研究

发布时间：2019-11-09 17:28

【摘要】：无线地下传感器网络(Wireless Underground Sensor Networks,WUSN)是将大部分无线传感器节点布设在地下,地面上仅出现少数用于为公共通信网络提供信息交换的无线网关节点的传感器网络。本文以农田土壤水分无线地下传感器监测网络系统的节点、信号传输特性、通信协议及拓扑控制和节点定位算法等为研究对象,通过理论建模分析、计算机模拟仿真等,对WUSN的信号传输理论和网络系统技术进行了研究和初探,设计开发了WUSN节点,研究并揭示了433MHz电磁波在农田土壤中的通信特性,提出了WUSN通信协议,研究并建立了节点定位与部署算法。论文取得以下初步研究结果:(1)开发了一种基于433MHz频率的微功耗WUSN节点设计了无线地下传感器网络节点的软硬件系统,依据农田土壤含水率、电磁波传输特性和节点性能,提出了无线地下传感器网络节点的设计要求,结合计算机仿真,论证并设计了节点电路系统,开发了由433MHz射频模块、MSP430、XR61-TDR2等主要硬件组成的无线地下传感器网络节点。(2)研究并揭示了433MHz频率WUSN电磁波在农田土壤中传输的基本特性WUSN节点频率在433MHz时,研究了节点埋藏深度、水平节点间距离和土壤含水率对通信的综合影响,得出了节点埋藏深度、水平节点间距离和土壤含水率与通信接收信号强度和误码率的三维关系,建立了电磁波在土壤中传输的基本特性。(3)研究并提出了无线地下传感器网络的路由协议和拓扑控制算法采用433MHz电磁波作为WUSN信号载体,经过对能量路由协议、数据中心路由协议和逻辑分层路由协议三种路由机制的研究和分析,研究并提出了无线地下传感器网络系统的分簇路由协议;研究了无线地下传感器网络的拓扑算法,提出了基于GAF算法和改进的GAF算法相混合的拓扑控制算法,实现了无线地下传感器网络系统通信负载的平衡。(4)研究并确定了无线地下传感器网络的节点定位算法根据WUSN的覆盖和连通性,分析了基于距离的定位算法和距离无关的定位算法,经过算法的研究、优化和验证,提出并确定了基于距离的RSSI定位算法和最大相似估算法相混合的节点定位算法。(5)验证了无线地下传感器网络单元测试系统在农田内搭建起具有四个地下传感器节点、单簇头的平面层次型无线地下传感器网络验证单元,利用该单元系统测试农田土壤含水率,与通过烘干法测量各个WUSN地下传感器节点周围的土壤含水率数据对比,结果基本相符。农田土壤水分无线地下传感器监测网络是一个较新的研究方向,关于其节点设计、网络通信协议、拓扑控制算法及节点部署与定位等可供研究的内容很多,本文主要对WUSN的关键技术进行了探索性初步研究,WUSN网络系统的整体构建技术还未形成,今后需要在关键技术、支撑理论和硬件设计等方面做更深层次的研究工作。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S152.7;TP212

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本文编号：2558581