基于ZigBee的农业大棚的移动监测系统研究

发布时间：2017-10-21 09:41

  本文关键词：基于ZigBee的农业大棚的移动监测系统研究

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【摘要】：随着数字农业技术的发展,如何实时、准确地监测大棚作物生长状况成为了关键问题。近年来,ZigBee技术在大棚环境监测领域的发展非常迅速。将无线传感网络技术应用于大棚环境监测系统,在大规模种植环境基础下建立一个集移动监测、低功耗于一体环境参数无线监测系统,具有深远的意义和应用价值。本系统通过各种传感器监测大棚的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、土壤湿度、土壤pH值等数据,同时为了支持移动监测,传感器节点加入了定位功能,这样就可得到各地点农作物在各时期所处的生长环境,为农业管理人员的精准调控提供了依据,有利于提高作物的产量。本系统采用NXP公司的JN5148为基础平台,实现了基于ZigBee PRO协议的开发,并主要对以下几个方面进行一些研究：首先研究了传感器节点的移动监测供电难和低功耗问题。本系统从二个方面解决此问题,一方面采用太阳能电池板、充电电路和保护电路组成充电管理模块,用以给节点锂电池充电且给系统供电；另一方面,从传感器节点4种最常用的工作模式入手,根据各节点实际使用情况分别研究比较了节点在一个工作周期内的平均工作电流,得出最节能的工作模式,并计算出天气最差情况下使得太阳能电池板无法给节点充电的情况下各节点可连续工作时间。第二,研究了协调器节点的多协议输出。协调器节点实现了R S-232、RS-485、以太网三种方式上传各传感器节点采集的数据。其中,RS-485实现了MODBUS RTU通信协议；针对传统需借助带有ARM或DSP的网关设备才可实现ZigBee PRO和以太网协议的转换,通过在JN5148中嵌入TCP/IP协议栈,实现了以太网通信。第三,研究了传感器节点的移动组网问题。本系统为传感器节点设计了智能组网机制,可使传感器节点自动识别网络问题,自动删除保存的网络参数并重新组网,使得WSN网络具备较高的自愈能力。第四,研究了传感器节点的定位。本系统中传感器节点在测距中使用TOF和RSSI结合的方式测距,由于环境等因素使得测距存在一定的随机性,这将不利于神经网络的收敛,本系统采用二阶巴特沃斯低通滤波器对测距采集的数据进行预处理,并在数据后续处理中加入了机器学习方法,具体处理时分别选用BP神经网络、RBF网络、SVM网络,通过比较拟合曲线发现SVM效果最好,得出距离后的定位采用三边测量法。最后对本文已完成的工作进行了总结,指出了不足之处并对下阶段工作提出了改进方向和改进目标。
【关键词】：ZigBee 无线传感网络 JN5148 多协议输出 低功耗 测距定位
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP274;S625.3;TN92
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-7
• 1 绪论7-14
• 1.1 课题背景7-8
• 1.2 无线传感网络发展历程与研究现状8-9
• 1.3 国内外农田大棚监测系统研究现状9-11
• 1.4 ZigBee定位国内外研究现状11
• 1.5 研究目标和主要研究内容11-14
• 2 系统硬件设计14-27
• 2.1 系统硬件总体设计14-15
• 2.2 协调器节点的硬件设计15-20
• 2.2.1 协调器节点电源模块15-16
• 2.2.2 JN5148最小电路16-17
• 2.2.3 串口通信电路17-18
• 2.2.4 以太网通信电路18-20
• 2.3 传感器节点的硬件设计20-27
• 2.3.1 传感器选型20-21
• 2.3.2 充电管理模块设计21-23
• 2.3.3 电源模块设计23-25
• 2.3.4 调理电路设计25-27
• 3 传感器节点的节能研究27-38
• 3.1 传感器节点的工作模式27-31
• 3.2 土壤水分节点的工作模式31-33
• 3.3 土壤pH节点的工作模式33-34
• 3.4 CO_2节点的工作模式34-35
• 3.5 温湿度、光照度节点的工作模式35-38
• 4 系统软件设计38-67
• 4.1 ZigBee PRO技术分析38-43
• 4.1.1 ZigBee协议发展历程与各协议间比较39-40
• 4.1.2 ZigBee与IEEE 802.15.440-41
• 4.1.3 ZigBee PRO协议规范41
• 4.1.4 ZigBee PRO拓扑及节点类型41-43
• 4.2 开发平台概述43-45
• 4.2.1 JenOS系统43-44
• 4.2.2 ZigBee Pro API44
• 4.2.3 软件开发环境44-45
• 4.3 协调器节点的软件设计45-58
• 4.3.1 构建网络45-46
• 4.3.2 数据接收46-47
• 4.3.3 串行通信47-49
• 4.3.4 以太网通信49-58
• 4.4 路由节点的软件设计58-59
• 4.5 传感器节点的软件设计59-65
• 4.5.1 加入网络59-60
• 4.5.2 环境和位置参数的采集和发送60-63
• 4.5.3 智能组网机制63-65
• 4.6 软件调试65-67
• 5 传感器节点的测距、定位67-82
• 5.1 BP神经网络处理69-72
• 5.2 径向基函数网络处理72-75
• 5.3 支持向量机处理75-82
• 6 总结与展望82-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-88
• 附录A 主要原理图88-90
• 附录B 实物图90-93
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果93-94

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1 胡泮;基于ZigBee的农业大棚的移动监测系统研究[D];扬州大学;2015年

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本文编号：1072675