基于无线传感器网络的微灌监控系统的研究与开发

摘要

我国的水资源严重短缺，且分布不平衡，农业用水占总用水的75％。因此，在农业灌溉中推广自动化控制，不仅可以缓解水资源严重短缺的矛盾，而且可以提高农作物的产量，降低农产品的成本。鉴于农业灌溉的特殊性和我国的国情，在灌溉系统中采用无线遥控技术有着广阔的前景。 本文对无线传感器网络技术在微灌系统上的应用进行了研究，设计了一个由嵌入式测控终端和中央监控计算机组成的灌溉监控网络系统。系统融入了计算机、电子、网络和通信等相关领域的最新成果，采用无线通讯方式，通过对GPRS无线通讯模块和zigBee射频模块的控制来进行土壤温湿度数据的传输与交互，从而实现全自动灌溉。 本文主要研究内容如下：首先，通过比较国内外微灌控制系统，结合我国的国情建立微灌监控系统模型，对微灌监控系统进行总体设计，给出系统总体构架方案；其次，对微灌监控系统ZigBee无线传感器网络所包含的总节点和终端节点的硬件进行了详细设计，设计完成了各功能模块的硬件电路；第三，对微灌监控系统的软件进行设计，在已有ZigBee协议栈的基础上，主要完成了ZigBee无线传感器网络节点软件的功能设计并通过编程实现：进行了中央监控软件的功能和操作平台设计，实现下位机与上位机的数据传输；最后，在实验室环境下对系统进行调试，进行数据通讯实验。实验结果表明ZigBee无线传感器网络适用于农业灌溉监控系统。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1课题研究背景及目的和意义

1.1.1课题研究背景

1.1.2课题研究目的和意义

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

1.2.3发展趋势

1.2.4基于无线传感器网络的微灌监控系统

1.3无线传感器网络

1.3.1 无线传感器网络概述

1.3.2无线传感器网络的几种实现方案

1.3.3 ZigBee无线传感器网络特点

1.4主要研究内容和论文结构

2 ZigBee技术

2.1 ZigBee无线网络技术基础

2.1.1 ZigBee与IEEE 802.15.4的区别

2.1.2 ZigBee技术的特点

2.1.3 网络配置

2.1.4数据传输机制

2.2 ZigBee协议栈结构和原理

2.2.1 IEEE802.15.4 PHY层(物理层)

2.2.2 IEEE802.15.4 MAC层(介质接入控制子层)

2.2.3网络层(NWK层)

2.2.4应用层(APL层)

2.3 ZigBee应用前景

2.3.1 ZigBee与其它无线传输协议比较

2.3.2 ZigBee的广阔应用前景

2.4本章小结

3微灌监控系统的总体架构

3.1微灌系统的总体设计

3.2微灌控制系统的选型及设计

3.2.1 节水灌溉中自动控制技术类型

3.2.2几种自动微灌控制系统介绍

3.2.3 本系统设计的微灌控制系统

3.3系统的组网方案

3.3.1采用GPRS组网方式

3.3.2采用ZigBee无线传感器网络+GPRS的组网方式

3.4基于无线传感器网络的微灌监控系统模型

3.5本章小节

4基于无线传感器网络的微灌监控系统硬件设计

4.1 微控制器的选型及时钟复位电路设计

4.1.1微控制器的选型

4.1.2时钟与复位电路设计

4.2无线通讯模块选型与设计

4.2.1 ZigBee网络的无线通讯模块设计

4.2.2 GPRS模块的选型与接口电路设计

4.3温湿度传感器及电磁阀选型与设计

4.3.1 土壤温湿度传感器的选型

4.3.2 PIC18F4620与温湿度传感器的接口电路设计

4.3.3微喷阀门的选型

4.3.4 PIC18F4620与电磁阀的接口电路设计

4.4能量供应管理模块设计

4.4.1 总节点模块电源电路设计

4.4.2终端节点模块电源电路设计

4.6本章小节

5基于无线传感器网络的微灌监控系统软件设计

5.1 ZigBee无线传感器网络的开发环境

5.2 ZigBee无线传感器网络节点软件设计

5.2.1 MSSTATE_LRWPAN协议栈

5.2.2总节点(COORD)软件设计

5.2.3路由节点(ROUTER)软件设计

5.2.4终端节点(RFD)软件设计

5.3 无线网络通信协议设计

5.3.1 ZigBee无线传感器网络之间通信协议设计

5.3.2下位机总节点与上位机之间通信协议设计

5.4灌溉系统监控中心设计与开发

5.4.1 监控管理系统软件功能设计

5.4.2监控中心开发工具的选择

5.4.3 系统界面及主要模块功能设计

5.5本章小节

6系统调试与分析

6.1无线传感器网络节点调试

6.1.1调试环境的建立

6.1.2节点功能测试

6.2 GPRS模块与计算机通信调试

6.3系统总体调试

7总结与展望

7.1结论

7.2展望

致 谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况：