精准农业无线传感器网络节点定位监测系统设计

摘要

我国农业的发展促使精准农业研究受到越来越高的重视，精准农业能够实现经济的较大提高。精准农业中要求将环境的适宜程度作为作物健康成长的有效标准。影响作物生长的因素主要为温湿度及土壤的湿度等，快速准确地获取农作物的生长环境信息，了解作物的实时生长环境很重要。针对传统的环境监测所存在的采样率低、工作效率低以及布线不便等缺点，本文设计了ZigBee无线传感器网络节点定位监测系统。针对农业中植物生长所需的良好环境信息的采集传输及上位机数据存储等进行了十分详细的分析与设计，最后进行数据库的存储为植物生长环境的研究提供有力分析数据。ZigBee技术能够被大众接受与使用是因为其拥有独特的优点，例如其能量损耗小、能够实现网络自组、设备布置灵活以及稳定性能好等。无线传感器网络能够进行实时环境信息采集、网络环境数据通讯与处理，被广泛用于医疗、室内建筑、军用民用及精准农业植物生长环境方面。随着国家对农业发展的持续关注及精准农业地迅速发展，无线传感器网络技术已经被广泛应用，成为采集农业环境信息，不断提高管理水平及增加作物产量必要手段。
　　无线传感器网络技术中最重要的应用技术之一为传感器节点定位技术。在进行环境数据测量感知的过程中，传感器模块的位置是测量数据获取的重要方面，大量节点必须确定位置信息才能进行有效的环境信息监测。因此，必须要采取一定的方法来确定网络中各监测节点的位置，进而得到实际地理环境信息。本文只对少数传感器节点通过装载GPS确定自身准确坐标，并利用数学智能算法确定其他未知节点的坐标位置，最终实现环境信息的准确定位，降低成本。本文主要探究的是基于RSSI测距的改进PSO定位优化算法。应用高斯限制函数对测距定位方法RSSI进行优化，能够提高距离计算的准确性，与此同时将粒子群算法在进行搜索时引入混合变异策略以扩大搜索范围，提高群体多样性，能够保证本文算法的全局搜索能力，有利于跳出局部最优解，有效提高进化性能和节点定位精度。
　　本文设计的基于精准农业无线传感网络节点定位监测系统主要是利用ZigBee技术对影响植物生长的温度湿度和土壤湿度进行监测。其主要过程是由终端节点模块向协调节点模块发送一个入网请求的信号，等待协调节点同意信号，在收到同意信号后才能加入网络，并将采集数据传送到协调节点。协调节点在网络中占据举足轻重的地位，其将收到的监测数据及时有效地传送给上位机的监测控制中心存储区，接着将数据进行有效的筛选和整合并显示在上位机监测界面，供给用户查询。本文中整个网络系统软件程序设计采用的是C＃语言。最终经过实际的现场试验，表明本文设计的监测系统满足精准测量的要求。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 主要研究内容及研究方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．4 论文结构及技术路线

1．4．1 论文结构

1．4．2 技术路线

1．5 本章总结

2 WSN技术及应用

2．1 WSN组成结构及体系

2．2 重要的无线通信技术

2．3 ZigBee通信技术

2．3．1 ZigBee网络节点

2．3．2 ZigBee协议栈

2．3．3 ZigBee网络拓扑结构

2．4 ZigBee技术在精准农业中的应用

2．5 本章总结

3 精准农业ZigBee网络节点定位技术研究

3．1 经典定位方法

3．1．1 基于测距的定位方法

3．1．2 基于非测距的定位方法

3．2 智能定位算法

3．3 基于改进粒子群算法的传感器节点定位

3．3．1 RSSI测距误差校正

3．3．2 标准粒子群算法

3．3．3 混合变异策略

3．3．4 改进粒子群定位算法

3．3．5 适应度函数

3．3．6 仿真实验

3．4 本章小结

4 精准农业监测系统需求分析及整体设计

4．1 系统需求分析

4．2 系统设计要求

4．3 系统整体设计

4．4 本章小结

5 系统的硬件设计

5．1 传感器终端节点设计

5．1．1 CC2530主芯片处理模块

5．1．2 传感器选型

5．2 协调节点的设计

5．3 电源管理电路的设计

5．4 串口电路设计

5．5 本章总结

6 系统的软件设计

6．1 Z-Stack协议栈组网

6．2 协调节点软件设计

6．3 终端节点软件设计

6．4 上位机监测界面的设计

6．5 本章小结

7 系统测试

7．1 低功耗性能测试

7．2 组网及数据传输测试

7．3 系统稳定性测试

7．4 监测系统现场试验

7．5 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

8．3 本章小结

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文