基于无线传感器网络的农田土壤温湿度采集系统的研究与设计

摘要

无线传感器网络是一种新兴的获取、处理和传输的数字无线通信技术，近年来，在农业现场数据采集中的应用日益广泛。尤其是随着精细农业的迅速发展，无线传感器网络在农田现场信息采集中的应用越来越成为研究的热点。
　　在无线传感器网络系统中，传感器节点是整个系统的基础平台，它是一个具有信息采集、数据处理以及无线收发等功能的微型嵌入式系统。本文设计了一种基于无线射频芯片nRF24L01+的传感器节点所组成的农田土壤温湿度信息采集系统。本文主要包括系统的总体框架设计、各个功能模块的选择及其电路设计，各个模块之间的连接设计以及路由协议和通信帧的设计。该系统从无线射频芯片的选择到路由协议的设计，突出了系统在设计上的低功耗、低成本。
　　论文首先介绍了课题的背景、土壤温湿度监测的目的与意义以及土壤温湿度信息传输方式的研究现状，提出了本系统在设计上的优越性，接着介绍了本文所做的主要工作以及结构安排，并在此基础上结合无线传感器网络的系统架构提出了农田土壤温湿度采集系统的系统架构以及系统的路由设计以及上位机和汇聚节点的传输设计；其次，根据农田土壤的温湿度采集系统特点进行系统关键部件的低成本、低功耗的选择，完成了主要包括温湿度采集模块、无线通信模块、显示模块的硬件电路设计。再次，文章阐述了从传感器节点到汇聚节点的通信软件设计，在通信协议上，由于基于nRF24L01+的无线传感器网络的物理层和MAC层协议简单，自身不具备复杂网络的通信能力，参考了IEEE802.15.4协议，结合星型无线传感器网络的框架特点，在该通信芯片固有帧结构的基础上进行帧扩展设计，扩充完善无线网络通信协议，解决了传感器节点与路由节点以及各个路由节点之间的通信问题。最后，对本设计进行了总结，并提出了一些展望。

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Contents

1绪论

1.1课题背景

1.2土壤温湿度采集的目的与意义

1.3土壤温湿度信息传输方式的研究现状

1.4本设计所做的主要工作及结构安排

2农田土壤温湿度信息采集系统的设计

2.1农田土壤温湿度信息采集系统设计的基本原则

2.2农田土壤温湿度信息采集系统的架构

2.3农田土壤温湿度信息采集系统的路由设计

3基于LEACH和PEGASIS路由算法的簇链式路由的设计

3.1无线传感器网络路由协议的特点

3.2平面路由协议

3.3网络分层路由协议

3.4簇链式路由算法的设计

4系统的硬件设计

4.1无线传感器网络节点的硬件设计要求

4.2无线传感器网络节点的模块化设计

4.3系统硬件关键部件的选择

4.4系统硬件电路设计

5系统通信的软件设计

5.1无线传感器网络通信帧的设计

5.2温湿度采集部分软件设计

5.3显示模块软件设计

5.4无线射频模块软件设计

6总结与展望

6.1研究工作的总结

6.2存在的问题与展望

致谢

参考文献