基于SimpliciTI的大田图像采集与无线传输系统的研究与实现

摘要

随着现代控制技术、微电子技术在农业中的不断渗透和应用，农艺水平的不断提高，农业的发展已从传统农业逐渐转变为现代农业，并且发展规模逐渐扩大。为生长作物提供最适应的环境，进而有效增加作物产量和品质，提高地区经济效益是现代化农业发展的趋势，获取农田所包含的信息是现代化农业研究的基础。
　　其中农田图像信息是反应农田情况的重要信息之一。针对现场安装困难、布线复杂、线路老化和监测死角等问题，有效解决农田图像信息采集系统传输方式的不足。本课题研究并设计一套基于SimpliciTI网络协议的大田图像采集与无线传输系统，系统由以下三部分组成。
　　农田图像定点采集网络:系统采用MCU与RF分开设计的硬件匹配结构。将SimpliciTI网络协议移植到STM32硬件平台。图像采集模块采用锂电池供电，并引入sleep-wake up机制大幅降低图像节点能耗。将采集到的图像存储到节点外扩的SD卡中，并分包经中继节点，路由转发传输至网关节点。
　　农田图像网关设备:网关节点和图像节点采用相互兼容控制器，移植uIP协议栈，使用SPI接口与Ethernet模块通信，实现无线传感器网络与外部网络协议的转换和物理连接。网关数据和外部无线网桥通过网口相连，将图像数据传输至监控室内服务器进行存储管理。
　　远程Web服务器:Web服务器主要是远程获取图像信息以及图像查询工作，分别由大田图像数据库、服务器应用软件和Web系统构成。本地服务器通过定向Wi-Fi设备实现和网关服务通信。其中农田图像数据库是基于Oracle10g数据库版本开发，Web系统基于Hibernate框架设计，使用JSP开发，通过Tomcat完成远程Web服务器发布。
　　系统整体测试运行稳定、可靠，能够顺利采集图像，无线传感器网络通过加入中继节点组成网状拓扑网络，满足无线组网获取大田图像信息的需求，课题使用定向Wi-Fi设备最远可达500m，满足大田距离要求，设计合理。并且实验测试了图像节点的通信参数，包括误码率和包错误率，图像数据共153600B，对原始图像数据进行了增加BMP文件头的恢复设计，对图像采集节点进行点对点图像无线传输单跳和多跳实验测试，结果表明图像无线传输系统的能力由传输速率、节点能耗、传输宽带、节点路由功能等共同决定，系统整体设计为大田图像采集无线化和组网简单化提供了一种新的解决方案。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源与研究背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 系统总体设计

2．1 总体框图

2．2 系统硬件解决方案

2．2．1 MCU和射频模块选择

2．2．2 射频频段选择

2．2．3 摄像头模块选择

2．3 系统软件解决方案

2．4 SimplieiTI网络技术

2．4．1 短距离无线通信介绍

2．4．2 SimpliciTI协议各个功能模块介绍

2．4．3 SimpliciTI协议分层结构

2．4．4 SimpliciTI协议网络设备

2．4．5 SimpliciTI协议网络拓扑结构

2．4．6 SimpliciTI协议网络帧结构

第三章 无线图像传感网络硬件设计

3．1 节点硬件整体设计

3．2 无线RF模块硬件设计

3．2．1 无线RF模块选型和原理图设计

3．2．2 无线射频模块PCB设计

3．3 图像采集节点设计

3．3．1 STM32核心控制器

3．3．2 图像采集模块

3．3．3 图像存储电路设计

3．3．4 图像节点的休眠与唤醒

3．3．5 图像节点PCB设计实现

3．4 网关节点设计

3．4．1 STM32微控制器

3．4．2 以太网通信模块电路设计

3．4．3 无线网桥

第四章 无线图像传感网络软件设计

4．1 系统软件总体设计

4．2 SimpliciTI协议栈的移植

4．3 图像节点软件设计

4．3．1 图像采集

4．3．2 传输图像数据包设计

4．3．3 图像节点存储图像设计

4．4 中继节点软件设计

4．5 网关节点软件设计

4．5．1 uIP协议栈介绍

4．5．2 uIP协议栈移植

4．5．3 网关软件功能实现

4．6 远程Web图像服务器开发

4．6．1 相关技术介绍

4．6．2 数据库实现

4．6．3 Web系统设计

第五章 系统测试

5．1 点对点通信测试

5．1．1 通信误码率和包错误率测试

5．1．2 节点通信距离测试

5．2 图像采集模块测试

5．3 图像节点采集系统测试

5．4 性能分析

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

读硕士期间的研究成果