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基于WSN的温室环境智能监控系统研究

作　者: 岳青
导　师: 卢博友
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业电气化与自动化
关键词: 温室监控 WSN ZigBee Smith预估器模糊PID
分类号: TP277
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

目前,温室监控系统大多采用有线方式,这种系统具有安装部署不灵活、可调整性差等缺点,且线缆故障容易导致系统异常,而温室又具有非线性、强耦合、大延时等特点,现有监控方式难以满足大量温室的多点密集监控需求。无线传感器网络(WSN)综合了传感器感知、嵌入式、现代网络及无线通信、分布式信息处理等信息技术,能够协同地实时监控网络覆盖区域中各种监控对象,并作为物联网的关键技术之一正得到日益广泛的应用研究。近期陆续出现了基于WSN的温室监控系统,但大多属于研究性质,成本高、实用性较差,难以应用于实际生产。本文针对设施农业中温室监控的应用需求,开展了WSN优化设计,实现了无线传感器监测节点、控制节点和智能控制算法设计。主要研究成果有:(1)采用ZigBee2006作为网络的无线传输协议,针对温室应用特征从多个方面对ZigBee2006进行了优化配置,设计了温室中WSN的协调器节点、路由节点、终端节点,建立基于WSN的无线监控系统通信平台。(2)选用TI公司的CC2430作为无线传感器节点的微处理芯片设计了环境监测节点,监测节点分为主板和扩展板,主板可监测空气温湿度、光照三类基本环境因子。扩展板可监测土壤温湿度、土壤电导率、二氧化碳浓度、风速、风向、降雨量、氨气浓度等环境因子;设计实现了传感器电源控制方法,扩展板可自动控制传感器电源通断,以降低节点功耗;设计了节点供电系统,采用太阳能为主,适配器为辅的供电方式;开发了监测节点数据采集程序,完成了采集程序与ZigBee协议的链接,实现了数据的无线传输。(3)设计实现了温室设备自动控制节点,可完成天窗、内外遮阳网、风机、湿帘、加湿器、均热扇等设备的控制,并支持设备状态信息采集;设计了基于I2C的I/O口扩展控制程序及其与ZigBee协议接口程序,实现了控制节点控制命令的接收和设备状态信息的收集。(4)将PID控制、模糊控制、Smith预估器三种控制理论相结合设计了智能控制算法。采用带Smith预估器的模糊PID控制算法实现了中心服务器的远程控制,中心服务器同时具有即时干预控制、设定值控制两种控制方式。本文在无线传感器网络技术应用研究的基础上实现了基于WSN的温室环境智能监控系统。经测试和部署,表明系统具有成本低、功耗低、可靠性高、监测因子可扩展、供电方式灵活、无线自组网、控制方式多样等特点,基本满足实际农业生产监控需求。同时,对设计的带Smith预估器的模糊PID算法进行仿真比较,验证了其性能的优良性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-16
  1.1 背景与意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 温室环境监控技术研究  11-12
    1.2.2 无线传感器网络研究  12-13
    1.2.3 农业无线传感器网络研究  13-14
  1.3 研究内容  14
  1.4 章节安排  14-16
第二章温室无线传感器网络优化设计  16-25
  2.1 系统层次化体系结构  16-17
  2.2 WSN 无线传输协议配置  17-22
    2.2.1 ZigBee 协议简介  17-18
    2.2.2 ZigBee 协议优化配置  18-22
  2.3 WSN 节点功能  22-23
  2.4 WSN 数据传输设计  23-24
  2.5 小结  24-25
第三章环境监测节点  25-40
  3.1 环境监测节点硬件设计  25-35
    3.1.1 环境监测节点硬件整体设计  25-26
    3.1.2 监测节点硬件选型  26-27
    3.1.3 主板电路设计  27-30
    3.1.4 扩展板电路设计  30-32
    3.1.5 太阳能供电设计  32-35
  3.2 环境监测节点软件设计  35-38
    3.2.1 I~2C 数据采集程序  35-36
    3.2.2 单总线数据采集程序  36-37
    3.2.3 开关量数据采集程序  37
    3.2.4 模拟数据采集程序  37-38
  3.3 监测节点产品化设计  38-39
  3.4 小结  39-40
第四章控制节点设计  40-50
  4.1 控制节点硬件设计  40-45
    4.1.1 控制节点硬件整体设计  40
    4.1.2 控制节点硬件选型  40-42
    4.1.3 控制节点I/O 口扩展模块设计  42-43
    4.1.4 控制节点电源模块设计  43
    4.1.5 控制模块和设备状态采集模块设计  43-44
    4.1.6 控制节点PCB 实物图  44-45
  4.2 控制节点软件设计  45-47
    4.2.1 控制命令接收  45
    4.2.2 设备状态信息上传  45-46
    4.2.3 I/O 扩展程序  46-47
  4.3 控制节点测试  47-49
    4.3.1 控制命令下行测试  47-49
    4.3.2 设备状态信息上传测试  49
  4.4 小结  49-50
第五章温度智能控制算法设计  50-66
  5.1 控制算法简介  50-53
    5.1.1 PID 控制算法  50-51
    5.1.2 模糊控制算法  51-52
    5.1.3 Smith 预估器控制算法  52-53
  5.2 带Smith 预估器的模糊PID 控制算法设计  53-58
    5.2.1 模糊控制器结构设计  54
    5.2.2 输入输出量的模糊化  54-55
    5.2.3 控制规则设计  55-57
    5.2.4 模糊推理  57
    5.2.5 解模糊化  57-58
  5.3 带Smith 预估器的模糊PID 控制算法仿真  58-62
    5.3.1 仿真模型及PID 控制参数的确定  58
    5.3.2 仿真参数的确定  58-59
    5.3.3 Simulink 仿真  59-62
    5.3.4 控制算法实现流程  62
  5.4 控制功能软件实现  62-65
  5.5 小结  65-66
第六章总结与展望  66-68
  6.1 总结  66
  6.2 展望  66-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
作者简介  72

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