基于ZigBee无线感测器网络的智能灌溉系统设计与实现

发布时间：2017-10-22 05:29

  本文关键词：基于ZigBee无线感测器网络的智能灌溉系统设计与实现

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【摘要】：中国作为农业和人口大国,农业千百年来一直占据我国重要战略地位。虽几经沧海桑田,却仍旧难以有效改观我国绝大多数地区内唐犁宋锄般的农业生产经营现状。特别对于农业灌溉方面,高耗低能的沟灌与漫灌方式依旧四处盛行,不仅造成了极大地资源浪费,与全球范围内日趋紧张的水资源供需形势格格不入,而且严重阻碍了我国农业健康持久地发展。针对上述现状,本文利用物联网、感测器和互联网通信等现代化技术研究设计了一套基于ZigBee无线感测器网络的智能灌溉系统,旨在提高农业灌溉的效率及其智能化程度,促进作物增产增收。本论文主要涵括如下工作：(1)智能灌溉系统总体架构方案设计。通过对物联网、感测器和互联网通信等相关技术的分析研究,确定了以Mesh拓扑型ZigBee无线感测器网络感测作物生长环境数据并执行灌溉任务指令、以GPRS网关模组向远端伺服器传送作物生长环境感测数据、以远端伺服器为控制中枢分析感测数据并藉由GPRS网络控导灌溉系统运作的系统架构方案。其中,ZigBee无线感测器网络涵括感测、路由、执行和网关协调器等节点,分别负责感测作物生长环境数据、转发网络封包、执行灌溉指令和建立ZigBee网络及其对外Internet连接。(2)智能灌溉系统的硬件系统选型和设计工作。硬件选型工作在多项量化指标的指导下,研究和对比了主流ZigBee SoC解决方案,从而确定了基于CC2530 ZigBee芯片的无线感测器网络节点构建方案。并根据CC2530芯片特性完成了各类型网络节点所需外围硬件设备的选型。硬件设计工作完成了各类型网络节点及其附属功能模组的硬件电路设计,并分析了上述电路的设计原理,完成了部分主要电路的性能测试与分析,同时确定了各类型节点对应的布设方案。(3) ZigBee无线感测器网络节点软件系统以及智能灌溉系统远程监控平台的设计工作。节点软件系统设计工作根据不同网络节点类型功能特性,设计了相应的节点应用程序,并分析了各节点应用程序的运作流程。远程监控平台的设计工作首先通过平台需求分析而确定了基于B/S架构类型的平台设计方案,并规划完成平台功能组织结构,继而完成伺服器程序系统、数据库系统和前端页面系统的设计与测试。(4) ZigBee无线感测器网络性能优化。为保证户外网络节点工作安全而设计了能监测本地大气电场场强并向网络节点发布雷电预警信息的电子防雷系统。为优化网络传输效率而研究了ZigBee网络封包路由算法,并在此基础之上通过计算机仿真分析选定了按需路由(BOS)的网络封包路由策略。为提高无线感测器网络感测精度而设计了系数自整定数据融合算法。在对智能灌溉系统试运行过程的测试评估中,验证了ZigBee无线感测器网络对作物生长环境数据的感测、传输以及灌溉指令执行等功能。远程监控平台实现了对作物生长环境数据的分析归档、对灌溉作业的控导以及终端用户对灌溉系统的远程访问和控制。计算机仿真分析表明,BOS网络封包路由策略与系数自整定数据融合算法对ZigBee无线感测器的网络性能具有一定的优化作用,网络传输效率和感测精准度得到了一定程度的提升。
【关键词】：ZigBee GPRS 无线感测器网络 远程监控 智能灌溉
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S274;TN92
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-15
• 1.1 课题研究背景11
• 1.2 课题研究目的与意义11-12
• 1.3 节水灌溉技术发展现状分析12-14
• 1.3.1 国外发展现状分析12-13
• 1.3.2 国内发展现状分析13-14
• 1.4 论文研究内容及组织结构14-15
• 2 无线感测器网络分析与构建15-30
• 2.1 无线感测器网络特性分析15
• 2.2 无线感测器网络架构分析15-17
• 2.3 无线感测器网络应用分析17-18
• 2.3.1 应用领域分析17-18
• 2.3.2 应用案例分析18
• 2.4 无线感测器网络构建要素分析18-21
• 2.4.1 设备功耗和性能19-20
• 2.4.2 网络容错性和扩展性20
• 2.4.3 网络拓扑架构类型20-21
• 2.4.4 节点制造成本21
• 2.5 无线感测器网络构建技术分析21-28
• 2.5.1 短距离无线通信技术特性分析21-24
• 2.5.2 网络构建技术量化分析与选择24-28
• 2.6 ZigBee网络拓扑架构分析与选择28-29
• 2.7 本章小结29-30
• 3 系统架构方案设计30-35
• 3.1 系统监测对象分析与选择30-32
• 3.2 系统功能需求分析32-33
• 3.3 系统总体架构方案设计33-34
• 3.4 本章小结34-35
• 4 硬件系统分析与设计35-50
• 4.1 硬件设备选型分析35-38
• 4.1.1 ZigBee主控芯片选型分析35-36
• 4.1.2 网络终端节点外设选型分析36-38
• 4.2 网络节点硬件设计38-42
• 4.2.1 作物生长环境感测节点设计38-39
• 4.2.2 本地电磁环境感测节点设计39-40
• 4.2.3 执行节点设计40
• 4.2.4 路由节点设计40-41
• 4.2.5 网关协调器节点设计41-42
• 4.3 射频增程模组设计42-44
• 4.4 供电系统设计44-48
• 4.4.1 能量收集系统设计44-45
• 4.4.2 电能变换系统设计45-48
• 4.5 节点布设方案分析48-49
• 4.6 本章小结49-50
• 5 网络节点软件系统分析与设计50-70
• 5.1 ZigBee网络协议栈体系架构分析50-55
• 5.1.1 Z-Stack协议栈工作流程分析51-53
• 5.1.2 Z-Stack用户自订任务创建流程分析53-55
• 5.2 网络节点软件系统设计55-60
• 5.2.1 网关协调器节点程序设计55-56
• 5.2.2 路由节点程序设计56-57
• 5.2.3 终端节点程序设计57-59
• 5.2.4 电子防雷程序设计59-60
• 5.3 路由算法和路由策略研究与选择60-62
• 5.3.1 树型层级路由算法60
• 5.3.2 ZigBee网络路由策略研究与选择60-62
• 5.4 数据融合算法设计62-66
• 5.4.1 系数自整定数据融合算法62-65
• 5.4.2 算法有效性分析65-66
• 5.5 无线感测器网络测试66-68
• 5.5.1 节点程序烧录测试66-68
• 5.5.2 组网和通讯测试68
• 5.6 本章小结68-70
• 6 远程监控平台设计70-88
• 6.1 平台功能需求分析70-71
• 6.2 平台架构方案分析与设计71-72
• 6.2.1 平台架构类型分析与选取71
• 6.2.2 平台架构方案设计71-72
• 6.3 伺服器搭建与配置72-75
• 6.3.1 Web伺服器搭建与配置72-74
• 6.3.2 数据库伺服器搭建与配置74-75
• 6.4 伺服器程序系统设计75-83
• 6.4.1 数据库系统75-77
• 6.4.2 用户管理程序77
• 6.4.3 数据监视程序77-79
• 6.4.4 数据查询程序79-81
• 6.4.5 灌溉控制程序81
• 6.4.6 系统通知程序81-83
• 6.4.7 平台设置程序83
• 6.5 远程监控平台测试83-87
• 6.5.1 用户管理系统84-85
• 6.5.2 数据监视系统85
• 6.5.3 数据查询系统85-86
• 6.5.4 通知和控制系统86-87
• 6.5.5 设置系统87
• 6.6 本章小结87-88
• 7 总结与展望88-90
• 7.1 工作总结88
• 7.2 工作展望88-90
• 致谢90-91
• 参考文献91-94
• 攻读硕士学位期间取得的成果94-95

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本文编号：1076965