具有能量自采集的无线传感网设计与实现

发布时间：2017-06-19 09:10

  本文关键词：具有能量自采集的无线传感网设计与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着微功耗芯片的发展,嵌入式系统的成熟,无线传感网络逐渐走进了农业生产。无线传感网络在农业信息的获取与传输上有着天然的优势,它有着信息采集精度高,信息实时性高,适应各种恶劣环境,免维护等一系列特点。本文针对农林环境监控的实际需求,设计了一套基于嵌入式系统的远程环境监测系统,该系统能够在长期无人值守的环境中监测土壤温湿度以及光照强度,并可以在无需事先建立长距离有线或无线链接的情况下,将监测数据取回监测终端,同时能量收集模块可以收集太阳能并将其转化为电能,以实现网络的自供电。系统由三类节点组成:信息采集节点、汇聚节点、特殊移动节点。若干信息采集被部署在监测区域内,负责采集环境数据,并将数据发送给汇聚节点;汇聚节点将接收到的数据存储起来;特殊移动节点负责将汇聚节存储的数据取回监控基地。节点之间的通信采用Zigbee方式,特殊移动节点与基地监控终端的连接采用串口方式。为了延长系统的工作寿命,本文研究了太阳能能量收集技术,设计了集成式能量收集方案以及组合式能量收集方案,并对集成式能量收集方案进行了实现及测试。本文在对经典的无线传感网络路由协议(LEACH协议)深入分析的基础上,结合能量收集无线传感网络的特点予以改进。确定了网络中的最优簇头数,并利用K-means聚类算法对节点进行分簇,确保了簇头数目及分布的合理性。使用Matlab对改进协议进行了仿真。
【关键词】：无线传感网络 能量收集 太阳能 路由协议 LEACH协议
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP274;TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 课题背景8-9
• 1.2 无线传感网络概况及发展趋势9-11
• 1.2.1 无线传感网络的特点9
• 1.2.2 无线传感网络在环境监测中的应用9-10
• 1.2.3 无线传感网络的研究热点10-11
• 1.3 研究目的与主要研究内容11-12
• 1.3.1 研究目的11
• 1.3.2 本文主要研究内容11-12
• 1.4 本文章节安排12-14
• 第二章 信息采集与通信系统设计14-34
• 2.1 整体网络设计14-17
• 2.1.1 网络的构成14-15
• 2.1.2 网络的拓扑结构15-16
• 2.1.3 本系统的网络拓扑结构16-17
• 2.2 Zigbee通信模块17-19
• 2.2.1 通信模块特点17-18
• 2.2.2 通信模块传输方式18-19
• 2.3 硬件设计19-26
• 2.3.1 无线通信模块硬件设计20-22
• 2.3.2 传感器硬件设计22-24
• 2.3.3 节点中央处理器硬件设计24-26
• 2.4 软件设计26-33
• 2.4.1 节点通信软件设计26-29
• 2.4.2 传感器软件设计29-30
• 2.4.3 监控终端（上位机）软件30-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 能量收集模块设计与实现34-52
• 3.1 能量收集技术34-36
• 3.1.1 现有的能量收集技术34-35
• 3.1.2 太阳能能量收集技术发展现状35-36
• 3.2 太阳能能量收集原理36-41
• 3.2.1 太阳能电池特性36-38
• 3.2.2 太阳能电池功率控制38-40
• 3.2.3 能量存储40-41
• 3.3 太阳能能量收集方案41-50
• 3.3.1 能量管理芯片41-44
• 3.3.2 集成式能量收集方案44-48
• 3.3.3 组合式能量收集方案48-50
• 3.4 集成式能量收集方案实现与测试50-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第四章 路由协议设计52-75
• 4.1 无线传感网络路由协议概述52-56
• 4.1.1 无线传感网络的体系架构52-53
• 4.1.2 无线传感网络的特点53-55
• 4.1.3 无线传感网络路由协议设计要求55-56
• 4.2 无线传感网络典型协议56-60
• 4.2.1 平面路由协议56-58
• 4.2.2 层次路由协议58-59
• 4.2.3 各路由协议的比较59-60
• 4.3 LEACH协议的研究及其改进60-69
• 4.3.1 LEACH协议的分析60-64
• 4.3.2 LEACH协议存在的问题64
• 4.3.3 K-LEACH协议的设计64-69
• 4.4 K-LEACH协议仿真与分析69-73
• 4.5 本章小结73-75
• 第五章 农林环境监测系统实现与测试75-83
• 5.1 系统实物介绍75-77
• 5.1.1 信息采集从节点硬件介绍75-76
• 5.1.2 协调主节点硬件介绍76
• 5.1.3 空中从节点硬件介绍76-77
• 5.2 测试环境与测试方法77-78
• 5.2.1 测试环境77
• 5.2.2 测试方法77-78
• 5.3 网络连通性测试78-79
• 5.4 系统性能测试79-82
• 5.4.1 空中从节点与中央协调节点数据传输测试79-81
• 5.4.2 空中从节点与监控终端（上位机）数据传输测试81-82
• 5.5 本章小结82-83
• 第六章 总结与展望83-85
• 6.1 本文工作总结83-84
• 6.2 后续研究工作84-85
• 参考文献85-87
• 致谢87

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