基于分簇路由算法的养猪场无线传感器网络监控系统

摘要

进入21世纪，我国畜禽养殖业发展迅速，尤其是生猪养殖业。但落后的养殖技术和设备已经满足不了其生产要求，将先进的技术引入到生猪养殖中变得尤为重要。本文在总结国内外相关研究的基础上，设计了一套基于分簇路由算法的养猪场无线传感器网络监控系统。本系统旨在对养猪场中温度、湿度、光照、声音、H2S及CO2等环境因素进行实时监测，另外通过控制养猪场设备对养猪场环境进行智能而精细地调节。
　　根据养猪场环境复杂、节点众多及布线困难等特点，选择ZigBee技术将养猪场中传感器和设备组建为一个无线传感器网络，并采用网状拓扑方式进行组网。在养猪场ZigBee无线传感器网络中，传感器节点用于采集环境信息，设备节点用于控制养猪场设备开关。选择以S3C6410为核心处理器的mini6410开发板作为养猪场嵌入式现场控制器，在mini6410上构建嵌入式Linux系统，作为系统软件开发平台。移植嵌入式SQLite数据库，用于养猪场环境数据以及设备状态信息的存储。通过在现场控制器中移植Boa服务器，设计系统的B/S管理模式，实现信息的远程动态交互功能。编写CGI程序，可以远程控制养猪场设备的运作。为了实现视频监控功能，配置USB驱动内核支持、设计V4L2视频数据采集程序及搭建视频服务器。采用WIFI无线通信技术，实现mini6410的网络连接。
　　无线传感节点一般由电池供电且不易更换，导致能量成为其发展的瓶颈。针对养猪场无线传感器网络网状拓扑结构特性，本文提出一种基于节点剩余能量的分簇路由算法，该算法结合了LEACH协议和AODV路由协议的思想，将网络运行过程分成簇生成阶段和数据传输阶段。在簇建立阶段又分为簇头选择和簇形成两个过程，簇头选择时，为每个节点分配一个权值，根据权值的大小来选择簇头，从而由簇头来建立簇。数据传输阶段以AODV路由协议算法为基础，在数据传输过程中判断簇头的能量是否消耗过快来更改簇头的角色，以此来均衡节点能量消耗。
　　系统测试表明，该系统具有很好的稳定性和可靠性，实现了养猪场环境信息的采集和养猪场设备的控制，实现了管理人员对养猪场的远程监控。能量优化算法的使用，节省了节点能量，延长了养猪场无线传感网络的使用寿命，提升了整个系统的运行效率，降低了系统成本，实现了节约化的生猪养殖。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 畜禽养殖监控技术国内外研究现状

1．2．2 无线传感器网络技术在畜禽养殖中的应用现状

1．2．3 无线传感器网络能量优化算法研究现状

1．3 本课题的主要研究内容及安排

第二章 养猪场无线传感器网络监控系统方案设计

2．1 系统功能需求分析

2．2 系统总体方案设计

2．2．1 系统总体框架设计

2．2．2 系统具体方案设计

2．3 相关应用技术分析选择

2．3．1 养猪场无线通信技术的选择

2．3．2 嵌入式系统分析及选择

2．3．3 ZigBee协议栈介绍

2．4 本章小结

第三章 养猪场无线传感器网络监控系统平台设计

3．1 嵌入式现场控制器软硬件平台设计

3．1．1 现场控制器硬件分析

3．1．2 构建嵌入式Linux软件开发平台

3．2 ZigBee节点软硬件平台设计

3．2．1 ZigBee节点硬件设计

3．2．2 ZigBee软件开发平台

3．3 本章小结

第四章 养猪场无线传感器网络能量优化算法

4．1 相关技术介绍

4．1．1 无线传感网络技术简介

4．1．2 分簇路由协议介绍

4．1．3 AODV路由协议

4．2 本文能量优化算法的提出

4．2．1 簇建立阶段

4．3．2 数据传输阶段

4．3 实验仿真与结果分析

4．3．1 NS2仿真平台

4．3．2 实验仿真与结果分析

4．4 本章小结

第五章 养猪场无线传感器网络监控系统软件设计

5．1 ZigBee无线网络节点软件设计

5．1．1 协调器软件设计

5．1．2 ZigBee无线网络节点软件设计

5．2 基于嵌入式WEB服务器的B／S管理模式设计

5．2．1 B／S管理模式

5．2．2 嵌入式WEB服务器的选择

5．2．3 CGI信息交互技术

5．2．4 CGI实现养猪场设备的远程控制

5．3 嵌入式数据库设计

5．3．1 嵌入式数据库的选择

5．3．2 SQLite的C语言编程接口

5．3．3 嵌入式SQLite数据库的移植

5．3．4 养猪场环境数据信息存储设计

5．4 视频监控功能设计

5．4．1 USB摄像头和V4L2驱动设计

5．4．2 视频服务器设计

5．5 本章小结

第六章 系统性能测试

6．1 测试环境

6．2 结果分析

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间完成的论文