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基于ZigBee无线传感网和模糊控制的温室番茄智能灌溉系统设计

张胜  
【摘要】:我国是农业大国,传统的漫灌方式淡水利用率低下,而经济作物的大面积种植又要求能精确地控制种植环境。因此,发展智能灌溉根据作物需求优化灌溉量,提高经济效益具有重要意义。科技的进步使得无线传感网络在获取领域拥有广阔的应用前景。ZigBee技术作为无线传感网络中的一种协议标准,更是以其低功耗、低成本、高可靠性等优点广泛应用在工业、医疗、农业等领域。 本文分析了现有节水和精准灌溉的发展现状,研究了ZigBee协议的路由机制,提出了一种可行的智能灌溉策略,并以温室番茄灌溉为例做了详细设计。对ZigBee通信的树路由也做了相应的改进,提高了ZigBee网络中数据的传输效率。全文研究内容及创新总结如下: 1)在模块化设计思想的指导下,以JN5139为ZigBee处理芯片设计了灌溉系统传感节点的核心板。在此基础上,加入相应的功能模块完成了协调器、数据采集节点、控制节点的设计。整个ZigBee通信平台的拓展性较强。 2)由ZigBee通信平台、ARM集中控制器和喷灌系统完成了智能灌溉系统的整体架构设计。通过相关测试表明整个架构合理,性能稳定、可靠。 3)分析了现有灌溉模型的不足和影响温室番茄灌溉的关键环境因子,在考虑调亏灌溉、模糊控制和无线传感网络通信特点的基础上提出了一种由两个模块协作的智能灌溉策略。其中,模糊灌溉模块根据作物当前的生长周期实时设定最优土壤湿度;预测灌溉模块通过测得的空气温湿度、光照强度、土壤湿度算出蒸腾量和土壤渗透系数,最终预测出何时需要灌溉,该时刻到来再唤醒相应节点采集环境信息。整个智能灌溉策略简单、科学;请求式的数据采集传输模式减少了ZigBee网络中环境参数的传输量,节省了网络的能量。 4)分析了ZigBee传统树路由的不足以及灌溉系统数据需求特点,设计了一个邻节点能量综合评价函数。ZigBee网络基于该评价函数进行树路由。在NS2平台下进行了仿真,结果表明该树路由的数据传输效率比ZigBee原树路由提高了30%,节省了整个网络的能量,延长了单个节点的生存周期。


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