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基于ZigBee的土壤湿度无线采集系统节点设计

作　者: 韩廷阁
导　师: 李书琴
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: JN5139 ZigBee技术土壤湿度无线传感器网络
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 277次
引　用: 3次
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内容摘要

近年来,水资源短缺问题日益严重,各国对水资源的高效利用问题愈加重视。中国作为农业大国,淡水资源总量虽然位居世界前列,但人均水资源占有量只相当于世界平均水平的1/4,是世界人均占有水资源最贫乏的13个国家之一。尽管如此,中国的水资源浪费依然十分严重,占社会总耗水量80%以上的农业用水利用率非常低,远远低于世界平均水平。因此,改变传统农业粗放的经营模式,发展精准农业,对农作物用水需求进行精确监测,对农作物进行适时适量的灌溉极为必要。在大范围的监测中,无线传感器网络有着独特的优势。相对于传统的有线通信来说,无线传感器网络可以有效节约成本,并且不会影响耕作。且通过大范围内的众多节点,可以协作地采集目标区域内的对象信息,并可通过无线方式发送给观察者。在低数据传输率、低功耗领域,ZigBee技术有着无可比拟的优势。ZigBee工作于2.4GHz的免费频段,网络容量大、成本低、功耗小是它的主要优点。基于ZigBee的这些特点,它非常适用于土壤湿度检测方面的应用,本文描述了如何基于ZigBee协议开发土壤湿度监测节点。论文首先介绍了无线传感器网络的概念和特点,然后介绍了无线传感器网络在农业灌溉应用上的国内外研究现状,随后对比了常用的无线传感器网络技术。论文接着对ZigBee协议进行了详细介绍,包括网络构成、网络拓扑、协议栈等。在第三章介绍了节点的部署及数据融合技术。第四章对采集节点的硬件构成进行了介绍,包括所用的传感器、微处理器、无线收发芯片、串口及模数转换等模块。在第五章对如何组成网状网络,网状网络中各节点的功能进行了分析,并完成了各节点的软件设计。同时对软件设计所使用的编程环境、编译方式、调试方法进行了研究。节点使用Jennic EK000开发板作硬件开发平台。Jennic EK000提供外设扩展,包括扩展引脚、电源供应等。使用JN5139 M0提供的JN5139微控制器、无线收发芯片、A/D转换模块完成节点的硬件架构。软件使用开源的CODE:BLOCKS作集成开发环境,将GCC编译器、GDB调试器集成其中,并使用下载工具和烧录工具将交叉编译的代码下载到目标板中。开发的节点可以灵活组成网状网络并完成数据的采集、传输等功能。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-16
  1.1 背景  10-11
  1.2 国内外研究概况  11-12
    1.2.1 国外研究概况  11-12
    1.2.2 国内研究概况  12
  1.3 无线传感器网络  12-14
    1.3.1 无线传感器网络主要技术  13
    1.3.2 网络节点组成  13-14
    1.3.3 无线传感器网络特点  14
  1.4 本文主要研究内容  14-16
第二章 ZigBee 协议  16-26
  2.1 ZigBee 网络设备  16
  2.2 ZigBee 节点设备类型  16-17
  2.3 ZigBee 网络拓扑结构  17-18
  2.4 ZigBee 协议栈结构  18-25
    2.4.1 IEEE 802.15.4 层规范  18-19
    2.4.2 ZigBee 应用层规范  19-22
    2.4.3 网络层概述  22-25
  2.5 本章小结  25-26
第三章节点部署方法研究  26-31
  3.1 常规土壤信息采样方法  26-27
  3.2 传感器网络节点部署方法  27-28
    3.2.1 求解规则网络的相邻节点最大间距  27
    3.2.2 三种规则网络部署方案的比较  27-28
  3.3 数据的汇集  28-30
  3.4 本章小结  30-31
第四章节点硬件解决方案  31-38
  4.1 土壤湿度传感器  31
  4.2 JN5139 M0  31-35
    4.2.1 JN5139 MCU  31-32
    4.2.2 无线收发器  32-33
    4.2.3 串行通信  33-34
    4.2.4 模数转换  34
    4.2.5 系统时钟  34
    4.2.6 复位电路及中断管理  34-35
    4.2.7 JN5139 工作模式  35
  4.3 开发板介绍  35-37
    4.3.1 路线设置  36-37
    4.3.2 程序的下载  37
  4.4 本章小结  37-38
第五章节点软件设计  38-45
  5.1 搭建编程环境  38-39
    5.1.1 烧录软件集成在CODE：BLOCKS IDE 中的方法  38-39
    5.1.2 安装USB 到串行接口的电缆驱动  39
    5.1.3 配置调试环境  39
  5.2 Jennic 程序架构  39-40
  5.3 节点软件设计  40-44
    5.3.1 协调器节点工作过程  41
    5.3.2 终端节点工作流程  41-42
    5.3.3 路由节点工作流程  42
    5.3.4 定时休眠  42-43
    5.3.5 使用UART  43
    5.3.6 ZigBee license 的烧写  43-44
  5.4 本章小结  44-45
第六章测试与总结  45-47
  6.1 调试过程及运行结果  45-46
    6.1.1 节点功能的调试  45-46
    6.1.2 节点组网功能测试  46
  6.2 总结与展望  46-47
参考文献  47-50
致谢  50-51
作者简介  51

基于ZigBee的土壤湿度无线采集系统节点设计

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