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基于WSN的现代大棚智能控制系统

作 者: 姜源
导 师: 王建华
学 校: 江苏科技大学
专 业: 信号与信息处理
关键词: 智能控制 精确种植 无线传感器网络 ZigBee技术 CC2430
分类号: TP212.9;TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 169次
引 用: 1次
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内容摘要


我国是历史悠久的农业大国,基本国情决定了“三农”问题成为中国经济社会发展过程中的瓶颈。农业生产效率问题就成为当前现代农业建设中的一个重要课题。同时,大棚种植作为现代农业中一个非常重要的形式在我国发展飞速,目前我国已拥有世界上最大的蔬菜保护生产面积。有效提高大棚种植生产效率保证低投入高产出,必须依赖于先进的农业自动化技术和设备,对大棚内的种植环境进行实时采集和控制,确保作物的最佳生长环境。目前市场上应用较为广泛的基于PLC、单片机或现场总线技术的有线控制系统,虽然技术成熟,但在布线、成本、生产规模可扩展性等各方面存在局限。本论文以上述系统的局限性为着眼点,探索基于无线通信技术的监控方案;同时抛弃西方发达国家基于GIS、GPS技术的大田精确种植体系方案,探索构建另外一种基于ZigBee技术无线传感器网络技术的智能控制系统。该系统利用无线传感器网络实现农情信息的实时采集,利用ZigBee技术实现组网和数据通信,由路由节点根据目标地址实现最优路径的选择,将农情信息发送到PC虚拟控制终端,并参照专家数据库的参数计算控制命令,发送到对应的大棚基站对外围电气设备进行控制,从而最终实现系统功能。论文对基于无线传感器网络的智能大棚控制系统作了详细的阐述。该系统由分布在大棚内的传感器节点(终端设备)、大棚基站(路由器节点)和PC机终端节点(网络协调器)三部分组成。传感器节点负责温度、湿度、光照度和CO2浓度等农情信息的采集,大棚基站负责农情信息的汇总转发以及大棚内电气设备的控制,PC机终端负责信息的汇总和与PC虚拟控制平台的通信。自适应组网和数据通信路由算法的选择上,论文分析了该系统基于ZigBee网络节点树形拓扑的自适应路由选择算法。该算法在分层路由LEACH算法的基础上,分析了该算法的缺陷并进行了改进。通过NS2仿真结果表明,改进后的算法网络总体能耗平稳,并有所降低,网络生命周期大大提高。经系统测试,本文所设计的架构合理,功能电路实现较好,系统工作稳定,性能优良,成本低廉,较好地达到了预期的各项指标,具有一定的推广价值。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-15
第1章 绪论  15-21
  1.1 课题的背景  15-18
    1.1.1 农业信息化  15-16
    1.1.2 精确农业  16
    1.1.3 我国农业发展现状  16-17
    1.1.4 课题的提出  17-18
  1.2 课题的国内外研究现状  18-19
    1.2.1 温室监控系统的研究现状  18
    1.2.2 WSN 的研究现状  18-19
  1.3 课题的研究意义  19-20
  1.4 论文的主要研究内容  20-21
第2章 WSN 与ZigBee 技术  21-36
  2.1 无线传感器网络  21-27
    2.1.1 WSN 的系统结构  21-23
    2.1.2 WSN 的网络协议体系结构  23-24
    2.1.3 WSN 的特点与关键技术  24-26
    2.1.4 短距离无线通信技术的选择  26-27
  2.2 ZigBee 技术  27-33
    2.2.1 ZigBee 协议概述  27-29
    2.2.2 ZigBee 协议的分层结构  29-33
  2.3 基于ZigBee 的WSN 模型  33-35
    2.3.1 ZigBee 的网络配置  33
    2.3.2 ZigBee 的网络拓扑  33-34
    2.3.3 基于ZigBee 的WSN 模型  34-35
  2.4 本章小结  35-36
第3章 系统设计与路由协议研究  36-53
  3.1 系统功能需求分析  36-39
    3.1.1 系统功能描述  36
    3.1.2 系统设计要求  36-39
  3.2 系统整体设计  39-40
    3.2.1 系统总体设计  39
    3.2.2 系统网络拓扑结构  39-40
  3.3 终端节点地址分配机制  40-41
  3.4 路由算法设计与仿真  41-52
    3.4.1 现有路由算法比较  41-43
    3.4.2 LEACH 算法  43-50
    3.4.3 LEACH 算法改进  50-52
  3.5 本章小结  52-53
第4章 智能大棚系统硬件设计  53-64
  4.1 节点硬件模块化设计  53-54
  4.2 微处理器模块设计  54-55
  4.3 数据采集模块设计  55-57
  4.4 外围控制模块设计  57-59
  4.5 其他模块设计  59-60
    4.5.1 电源模块设计  59
    4.5.2 LCD 显示模块设计  59-60
    4.5.3 串口模块设计  60
  4.6 PCB 的制作  60-63
  4.7 本章小结  63-64
第5章 智能大棚系统软件设计  64-80
  5.1 软件系统框架  64-65
  5.2 无线传感器网络的组建  65-70
    5.2.1 协调器创建网络  65-67
    5.2.2 节点入网  67-70
  5.3 数据采集模块  70-75
    5.3.1 温湿度采集模块  70-73
    5.3.2 土壤湿度采集模块  73-74
    5.3.3 光照度与C0_2 浓度采集模块  74-75
  5.4 数据的传输模块  75-76
    5.4.1 路由算法的实现  75
    5.4.2 路由节点一轮采集过程  75-76
    5.4.3 终端节点发送过程  76
  5.5 网络协调端管理与控制模块  76-79
    5.5.1 专家数据库创建与调用  77
    5.5.2 采集数据的管理  77-78
    5.5.3 PID 控制计算  78-79
    5.5.4 串口模块  79
    5.5.5 图形绘制模块  79
  5.6 本章小结  79-80
第6章 系统测试  80-88
  6.1 测试方案  80-82
    6.1.1 软硬件测试环境  80-81
    6.1.2 测试项目  81-82
  6.2 测试过程与测试结果  82-87
    6.2.1 节点组网测试  82-83
    6.2.2 点对点通信测试  83-84
    6.2.3 数据采集与管理功能测试  84-86
    6.2.4 控制功能测试  86-87
  6.3 本章小结  87-88
第7章 结论与展望  88-90
  7.1 结论  88-89
  7.2 展望  89-90
参考文献  90-93
攻读硕士学位期间发表的学术论文  93-94
致谢  94-95
详细摘要  95-98

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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