智能节水灌溉系统的无线传感器网络设计

摘要

21世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源问题，更是关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。基于此，采用节水、节能的灌溉方法已成为全世界灌溉技术发展的总趋势，推广节水灌溉也已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择。目前，美国，以色列等发达国家使用先进的节水灌溉技术大大提高了水资源的利用效率；美国加州更是以立法的形式强制要求新公司必须使用智能灌溉系统。在我国，农业用水约占用水总量的70％左右，由于多年来采取传统的大水漫灌方式，目前我国农业用水的有效利用率仅为40％左右，远低于美国等发达国家70％至80％的水平。采用先进的节水灌溉技术，提高水资源的利用率对缓解我国水资源紧张、改善生态环境、提高经济效益、实现可持续发展具有重要意义。
　　 无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)技术起源于上世纪70年代。在近30年的发展中已经取得了显著的成绩。随着无线通信技术、信号处理技术、微电子技术以及网络技术的迅猛发展，无线传感器网络正在从单一化模式向微型化、集成化、智能化、网络化方向发展，逐渐成为获取信息的重要技术之一。而作为无线传感器网络中的一种协议标准，ZigBee技术更是以其优良的性能为众多的近距离无线通信应用领域提供了低成本、低功耗、高可靠性的解决方案。
　　 本文给出一种实现智能节水灌溉系统的ZigBee无线传感器网络设计方案。将ZigBee无线传感器网络、现代移动通信网、以太网三网结合，由ZigBee无线传感器网络实现对农田土壤湿度进行实时监测，利用移动通信网与光纤以太网来实现系统与远程监控人员的信息交互。主要讨论了ZigBee无线传感器网络的拓扑结构设计、定向扩散路由协议的改进以及底层数据融合算法的实现。并经实验验证了该设计方案的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1课题研究背景

1.2课题研究意义

1.2.1 发展智能节水灌溉的必要性

1.2.2发展智能节水灌溉的可行性

1.2.3 国外发展现状

1.3课题研究的主要内容

1.4论文组成部分

2无线传感器网络技术

2.1无线传感器网络简介

2.1.1 引言

2.1.2无线传感器网络起源与发展

2.1.3无线传感器网络发展趋势

2.1.4无线传感器网络关键技术与挑战

2.1.5无线传感器网络应用

2.2 IEEE802.15.4协议

2.2.1 IEEE802.15.4概述

2.2.2 IEEE802.15.4协议特点

2.3 ZigBee技术

2.3.1ZigBee技术概述

2.3.2 ZigBee协议架构

2.3.3 ZigBee技术特点

2.4本章小结

3系统设计方案与硬件平台的搭建

3.1 目前国内已有设计方案

3.1.1现有设计方案

3.1.2现有方案的优点与不足

3.2本系统的设计方案

3.2.1系统设计方案

3.2.2系统设计的难点所在

3.3 ZigBee无线方案设计

3.3.1ZigBee方案的选择

3.3.2 CC2430射频芯片

3.3.3 ZigBee模块设计

3.4数据处理中心硬件设计

3.4.1核心处理器选择

3.4.2数据处理中心的设计

3.5数据采集站与传输基站的硬件设计

3.6本章小结

4网络拓扑结构与路由算法

4.1ZigBee中的几种网络拓扑结构

4.1.1星型网络拓扑结构

4.1.2 MESH型网络结构拓扑

4.1.3其它形式网络拓扑

4.2系统网络拓扑结构的设计

4.2.1农场环境因素的考虑

4.2.2网络拓扑结构的设计

4.2.3通信协议的制定

4.3定向扩散路由协议

4.3.1常用的几种路由算法

4.3.2定向扩散路由基本原理

4.4路由算法的设计与实现

4.4.1兴趣扩散方式

4.4.2梯度的建立

4.4.3路径加固

4.5故障诊断机制

4.5.1底层故障诊断

4.5.2 顶层故障诊断

4.6本章小结

5无线传感器网络内部的数据融合

5.1无线传感器网络中的数据融合

5.2系统数据融合架构

5.3底层数据融合

5.3.1数据融合流程

5.3.2 GRUBBS算法

5.3.3自适应加权融合

5.4应用级数据融合概述

5.5本章小结

6硬件与无线网络测试

6.1硬件电路测试

6.1.1ZigBee无线模块测试

6.1.2光纤以太网测试

6.2无线网络测试

6.3本章小结

结 论

参考文献

附录A系统实物图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢