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基于无线传感器网络的温室群监测与控制系统的关键技术研究与实现

周益明  
【摘要】:近年来,设施农业发展迅速,特别是在自动监控方面是其中的一个研究热点,而该领域的特点就是监控区域很大,因此需要大量的传感器节点构成大型监控网络,通过各种传感器采集诸如温度、空气湿度、光照度、土壤湿度、EC值、pH值等信息,实现自动化监控。传统温室监测与控制系统多采用有线连接,布线复杂,往往造成温室内线缆纵横交错、使用不便、安装维护困难、可靠性差等问题。无线传感器网络技术被认为是满足温室应用需求且代替传统有线连接方式的最好技术途径。集成无线传感器网络技术、温室智能环境监控技术,构建温室群无线监控网络系统,实现温室环境的优化控制和生产全过程的无线化、网络化是未来温室监控系统的发展方向。 本文提出了一种基于ZigBee技术的温室群无线传感器网络监控系统,通过对系统中若干关键技术的研究以及系统设备的软硬件设计与测试,最终实现了该系统。主要内容如下: (1)根据温室环境监控系统的需求和无线传感器网络技术的特点,研究了无线传感器网络在温室群监控系统中的适用性。针对目前温室测控系统采用线缆连接的局限性,阐述了用无线传感器网络技术代替传统有线方式的可行性。 (2)分析了运用ZigBee技术构建温室群无线传感器网络监控系统的依据。在目前的多种短距离无线传输协议中,ZigBee技术具有低成本、网络容量大、低速率、低功耗的特点,更加适合于温室自动化控制的应用实际,为本文的研究提供基础。 (3)研究了基于ZigBee技术的温室群无线传感器网络监控系统的应用模型,分析了其中的关键技术。根据温室布置建造的特点以及无线传感器网络的拓扑结构,提出了合适的系统方案;根据无线传感器网络的关键技术与温室生产的实际,分析了ZigBee技术在温室这种特定应用对象中拟需解决的关键技术,为系统设计与实现做准备。 (4)研究了温室群无线传感器网络监控系统的路由方法。在研究无线传感器网络与ZigBee技术路由协议的基础上,根据温室应用实际,提出了一种适用的基于温室号的温室群无线传感器网络监控系统路由方法。相比ZigBee的AODV路由机制,该路由方法路由开支小,能改善网络性能。 (5)研究了温室群无线传感器网络监控系统中的数据融合处理方法。根据温室群无线传感器网络的应用拓扑结构,针对性地提出了三种数据融合的情况和处理方法。首先采用自适应加权算法对温室内部多个同类型的无线传感器节点进行融合,获得高精度数据的同时,减少了数据转发量;其次是应用分组融合技术对发送给协调器的单个温室内部多个不同类型的传感器数据分组进行融合,生成单温室数据分组;以及对生成的多个温室数据包进行分组融合得到多温室数据分组。通过简单的性能分析,获得了较理想的融合效果。 (6)温室群无线传感器网络监控系统实现与测试。结合ZigBee网络的拓扑结构和温室群的特点,给出了具体的系统结构、总体技术框架和功能组成,并详细介绍了系统中的各个设备的作用和地位。通过硬件选型,构建了系统设备的通用硬件模块,使得各个设备能在此基础上进行组装,降低系统开发和使用成本,同时方便安装和维护。最后通过设备和系统的测试,验证了系统设计。


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