基于无线传感网络的果树灌溉系统的设计

摘要

我国是一个农业大国，农作物的优质高产对国家的经济发展意义重大。同时，我国是一个水资源分布不均的国家，采用传统的灌溉方式对水资源浪费比较大。若根据土壤墒情信息对果树进行灌溉，则能提高灌溉用水的利用率，缓解我国水资源日趋紧张的矛盾。本文主要工作可总结如下:
　　(1)设计一套基于无线传感网络的果树灌溉系统，可以根据采集的土壤墒情信息对果树进行自动化灌溉控制。该系统主要由传感器节点、无线网关和上位机三个部分组成，其中，传感器节点主要由土壤湿度传感器和ZigBee模块组成;无线网关由ZigBee模块、GPRS模块、单片机和灌溉阀门组成;上位机接收土壤墒情信息，根据接收到的土壤墒情信息做出决策，发送灌溉控制指令。
　　(2)在通信方式上采用ZigBee与GPRS网络相结合的体系结构。传感器节点与无线网关之间采用ZigBee无线通信的方式进行通信，无线网关与上位机间的距离较远因而采用GPRS无线通信。本文对传感器节点与无线网关节点的软件进行设计。传感器节点软件主要包括土壤墒情信息的采集与ZigBee数据发送函数的编写，其中，ZigBee通信程序的编写是在TI公司提供的Z-Stack基础上完成的。无线网关的软件主要包括ZigBee网络的建立与GPRS驱动程序设计。
　　(3)根据系统实际需求以及LEACH协议（低功耗自适应集簇分层型协议）在系统应用中的不足，采用一种改进型LEACH路由协议。在簇首选择机制中加入能量控制条件，增大剩余能量较多的传感器节点成为簇首节点的可能性。加入数据周期性采集机制，定时向上位机发送土壤墒情信息。若簇首与无线网关间距离较远则采用多跳形式进行通信。为减少系统传输的数据量，系统采用分批估计算法对多个传感器节点采集到的土壤墒情信息进行数据处理。
　　(4)采用Visual Basic 6.0完成系统监控软件的设计。选择Microsoft Access数据库作为本系统的数据库。该监控软件包含登录和控制两个界面，用户登陆后，可以实时监测土壤墒情信息、查看历史时刻土壤墒情信息以及发送灌溉指令。
　　最后，借助串口调试助手对ZigBee模块间的通信、ZigBee和GPRS通信误包率以及对整个系统进行综合测试，测试表明ZigBee模块间可以正常通信，系统通信的误包率较小，本系统可以完成土壤墒情信息的采集与传输以及对灌溉阀门的控制。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国外研究现状

1．3 国内研究现状

1．4 本文主要研究内容和结构

2 系统总体设计与技术介绍

2．1 系统总体设计方案

2．2 无线传感网络概述

2．2．1 无线传感网络结构

2．2．2 无线传感器节点结构

2．2．3 无线传感网络的协议栈

2．2．4 无线传感网络的特点与应用

2．3 ZigBee技术简介

2．3．1 ZigBee技术概述

2．3．2 ZigBee技术的特点与应用

2．3．3 ZigBee协议栈的介绍与使用

2．4 本章小结

3 系统硬件设计

3．1 传感器节点硬件设计

3．1．1 传感器节点的器件选型

3．1．2 传感器节点的硬件电路设计

3．1．3 传感器节点电路图

3．2 无线网关硬件设计方案

3．2．1 无线网关的器件选型

3．2．2 无线网关的硬件电路设计

3．3 本章小结

4 系统软件设计

4．1 传感器节点软件设计方案

4．2 无线网关软件设计方案

4．2．1 ZigBee组网程序设计

4．2．2 GPRS驱动程序设计

4．2．3 串口通信

4．3 路由协议设计方案

4．4 本章小结

5 系统上位机软件

5．1 开发工具的选择

5．2 软件设计与实现

5．2．1 登录版块的实现

5．2．2 主窗体

5．2．3 数据库的建立

5．3 本章小结

6 系统综合测试

6．1 改进型LEACH协议的测试

6．2 土壤墒情测量精度测试

6．3 ZigBee组网与通信测试

6．4 系统通信误包率测试

6．4．1 ZigBee数据收发

6．4．2 GPRS数据收发

6．5 系统综合测试

6．6 本章小结

7 总结与展望

7．1 本文工作总结

7．2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文

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