基于无线传感器网络的设施农业环境监控系统研究

摘要

设施农业是现代农业的主要生产方式之一，目的是通过人工改善自然环境，实现高效生产。设施农业环境监控是设施农业现代化的重要基础，内容是运用现代信息技术和自动化技术对设施环境进行实时监测和智能化调控，达到作物生长需求。
　　传统的手动、机械、分布式电控等设施环境监控手段，存在布线繁琐、成本高、精度低等缺陷。无线传感器网络自20世纪70年代出现后，以其自组网、低功耗、低成本、灵活性强等优势迅速在军事、工业及农业等领域得到广泛应用。本课题以无线传感器网络技术研究为基础，设计了一套经济、实用的设施农业环境监控系统。
　　针对设施环境监控的特殊要求，本课题采用无线通信、嵌入式系统以及自动控制等技术对设施环境监控的软硬件系统进行设计，建立了针对温室空气温湿度、光照度、CO2浓度、土壤湿度等参数采集及环境调节机构无线控制的低功耗无线传感器网络，通过开放的人机交互界面完成环境参数的查询、存储和简单分析，同时可通过策略管理接口自主设置环境调控的策略依据，智能干预温室环境调控。
　　本课题设计了无线传感器网络低功耗测定试验，对节点电源管理电路的性能及寿命进行了测定与评估，试验表明:使用双电源管理电路、3节南孚AA电池，可维持节点11019.8h（约459.2天）的使用寿命。运用高斯滤波和线性回归等方法建立了设施番茄种植环境下433MHz射频信号传输的衰减模型，试验表明:衰减模型的预测值与实测值之间的相对误差控制在7％以内，具有较高的预测精度。
　　本课题研究成果在南京市蔬菜花卉科学研究所实地运行，结果表明:方案设计规范合理，功能稳定，满足设施农业环境监控需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 设施环境监控系统发展概况

1．3 无线传感器网络发展及在设施农业领域研究现状

1．3．1 无线传感器网络发展概况

1．3．2 无线传感器网络在设施农业领域研究现状

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 课题来源与研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 硬件系统设计

2．1 环境采集节点硬件设计

2．1．1 节点组成

2．1．2 无线通信模块设计

2．1．3 传感器模块设计

2．1．4 电源管理模块设计

2．1．5 节点实物和外观

2．2 无线控制驱动器设计

2．2．1 光电隔离电路设计

2．2．2 强电驱动电路设计

2．3 无线多功能网关硬件设计

2．3．1 网关协调器设计

2．3．2 网关控制器设计

2．4 本章小结

第三章 软件系统设计

3．1 软件系统框架

3．2 无线传感器网络协议移植

3．2．1 SimpliciTI初始化

3．2．2 网络连接

3．3 环境采集节点软件设计

3．3．1 任务调度机制

3．3．2 节点软件流程

3．3．3 传感器采集

3．4 无线控制驱动器软件设计

3．4．1 软件流程图

3．4．2 控制指令协议

3．4．3 机构状态检测与控制校验

3．5 无线多功能网关软件设计

3．5．1 网关协调器软件设计

3．5．2 网关控制器软件设计

3．6 本章小结

第四章 系统实现及试验分析

4．1 系统实现

4．1．1 硬件系统

4．1．2 软件系统

4．2 节点低功耗试验

4．2．1 节点功耗测定

4．2．2 双电源电路性能测定

4．2．3 节点寿命评估

4．3 射频传播试验

4．3．1 无线电波衰落特性

4．3．2 设施环境无线电波传播模型

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 问题与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果