基于能量自收集WSN节点的温室大棚环境监控系统研发

发布时间：2020-09-10 17:53

　　 温室大棚种植技术在如今的设施农业上应用越来越广泛。合理的温室环境使作物正常生长,根据采集到的温室中的环境因素,建立作物的生长模型,对农作物的生长周期得出一个完整且准确的数据方案,是目前温室大棚智能化发展的一个重要趋势。以往的温室内环境因素的监测主要依靠人工的方式进行手动采集,随着传感器技术的发展,智能化的温室设备也应运而生,在温室建造时采用提前布线的方式对各种传感器设备供电,但是在成本和后期扩展上需要的成本较高,容易受到外界的干扰,设备的供电问题无法得到有效解决。针对目前国内外温室监控系统发展现状以及存在的问题,本文开发设计了基于能量自收集WSN节点的温室大棚环境监控系统。重点设计了基于Zigbee协议的底层硬件系统、能量自收集供电模块、云端服务器设计和Android手机app应用程序,手机应用能够实时显示温室内部环境因素并对各个环境因素做出长期图形化管理曲线,方便用户对农作物生长环境进行有效管理。本文主要进行了如下几方面的工作:(1)研究了Zigbee无线网络协议,在此基础上根据协议中角色的不同设计不同的电路,设计传感器数据采集端和协调器数据汇总端。围绕CC2530芯片作为硬件电路的控制器进行电路设计,包括各个不同传感器收集电路、CC2530MCU核心控制电路、协调器供电模块电路以及GPRS/3G通信单元电路。(2)为了解决传感器数据采集端无法持久供电的问题,研究了目前主流的能量自收集技术,设计和开发能量自收集太阳能供电模块。采用新型电源管理芯片Bq25570作为微能量采集器,设计外围控制电路,收集环境中微弱的太阳能为采集端提供电能,实现了节点的能量自供应,保证其能长期有效的工作。(3)设计并开发了云端服务器系统。云端服务器是底层硬件系统与Android手机应用间数据交互的“桥梁”。数据的云端汇总处理以及数据的持久化处理均在服务器中进行。完成了数据集约化管理和数据库设计,主要包括底层硬件数据的接收解析以及为客户端应用提供数据来源。(4)设计和实现了Android节点信息化管理app:结合系统开发需求,将Android应用设计分为各种不同的功能模块,开发包括网络通信服务模块、环境数据本地数据库管理模块、用户系统管理模块以及各个节点数据图表化模块和阀值溢出报警模块。以分层的架构模式进行自下而上开发,并对节点采集的数据进行测试和比对。本文所设计的基于能量自收集WSN节点的温室大棚环境监控系统,经过测试,能量采集模块收集的微能量能够为传感器采集端提供持久性供电,硬件电路采用的Zigbee无线传感网络设计实现了采集模式的新突破,同时设计开发的Android端管理app能够让用户随时随地的进行温室环境的调控和管理,并能够对环境报警信息做出灵敏的报警反应,真正实现实时温室监控的理念。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP212.9;TN92;TP277
【部分图文】：

温室大棚的核心功能即为农作物提供了与室外环境所不同的环境条件，合理的环境能使作物正常生长。农户们可以根据采集到的大棚中的环境因素，建立作物的生长模型，对农作物的生长周期得出一个完整且准确的数据方案，进行有效的管理。图1.1为一种温室大棚实景图。图1.1现代温室大棚环境实物图现如今温室中的环境因素数据采集主要依靠人工采集的方式以及有线采集的方式进行，采用人工采集的方式带来的缺点可想而知，采集的工作量相当大，且不可避免的会有漏测，数据的实时性以及有效性难以保障。同时，采用预先布线的有线采集方式技术上虽然相对成

在土地资源缺乏的环境中实现农作物产量的最大化。在90年代日本科学家采用能控制技术，对环境因素进行综合化管理，人工职能开始广泛应用于温室的控自动控制领域科研水平的提升，大棚环境参数监控技术也在进一步的发展。加种能够自主融合气候条件以及自主灌溉的网络全自动一体化控制管理系统，利参数，通过协议传输，对作物的栽培和监督的同时融合各种参数，对作物的生时的监控。美国在越南战争期间优先开始使用无线传感网络，在战场上收集敌。高速的科技信息化发展在20世纪90年代尤为突出，随着总线协议和各种新式开发和完善，无线传感网络从原先的封闭式单一化网络管理应用到互联网中，多样。目前在温室环境监控方面，通过对温室中的不同环境因素指标进行分离测，实现了智能化管理。在温室大棚现代农业的热点方向上，采用WSN技术结方法，结合作物的生长规律来建立环境因素的模型已经成为了现代农业发展的8年Yunseop Kim等研究的分布式现场无线传感灌溉系统使用无线传感器网络用[5]。现场由六个现场传感器进行监测，这六个现场传感器站点根据土壤属性不，并且周期性地采样并无线传输到基站中。分布式的灌溉系统如图所示：

第三章 硬件系统的设计与实现块的设计源管理芯片选择所以一直没有被真正的广泛应用的最大原因，是其能端所消耗的能量之间一直处于不平衡的状态[24]。随着以及微型能量收集电源管理IC技术的突破，微型能量了满足能量收集以及低功耗的需求，采用TI公司开发热电发电机(TEG)以及光伏(太阳能)等各种不同的直可以进行高效的获取与管理[25]。Bq25570内置了高效个毫微功耗的降压转换器，在对功耗有严格要求的W330mV时启动，当芯片处于工作状态时，升压转化能量的采集，同时，芯片具有电压可编程的充电引脚率点跟踪采样的引脚。图3.1为Bq25570的QFN-20封装

【参考文献】

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本文编号：2816121