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1、南京理工大学硕士学位论文基于无线传感器网络的微灌监控系统的研究与开发姓名：段俊丽申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：王益祥20080526顾1 j 论义壮于无线传感器叫络的微灌临拎系统的研究。j 开发摘要我国的水资源严重短缺，且分布不平衡，农业用水占总用水的7 5。因此，在农业灌溉中推广自动化控制，不仅可以缓解水资源严重短缺的矛盾，而且可以提高农作物的产量，降低农产品的成本。鉴于农业灌溉的特殊性和我国的国情，在灌溉系统中采用无线遥控技术有着广阔的前景。本文对无线传感器网络技术在微灌系统上的应用进行了研究，设计了一个由嵌入式测控终端和中央监控计算机组成的灌溉监控网络系统。系统融入了计算
2、机、电子、网络和通信等相关领域的最新成果，采用无线通讯方式，通过对G P R S 无线通讯模块和Z i g B e e 射频模块的控制来进行土壤温湿度数据的传输与交互，从而实现全自动灌溉。本文主要研究内容如下：首先，通过比较国内外微灌控制系统，结合我国的国情建立微灌监控系统模型，对微灌监控系统进行总体设计，给出系统总体构架方案；其次，对微灌监控系统Z i g B e e 无线传感器网络所包含的总节点和终端节点的硬件进行了详细设计，设计完成了各功能模块的硬件电路；第三，对微灌监控系统的软件进行设计，在已有Z i g B e e 协议栈的基础上，主要完成Y Z i g B e e 无线传感器网络节
3、点软件的功能设计并通过编程实现：进行了中央监控软件的功能和操作平台设计，实现下位机与上位机的数据传输；最后，在实验室环境下对系统进行调试，进行数据通讯实验。实验结果表明Z i g B e e 无线传感器网络适用于农业灌溉监控系统。关键词：微灌，Z i g B e e，无线传感器网络，P I C-蝴，监控系统A b s t r a c t珂iI：论文A b s t r a c tO u rc o u n t r yi ss e r i o u ss h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e s，a n dt h ed i s t r i b u t i o
4、 ni sn o tb a l a n c e A g r i c u l t u r a lw a t e ru s ea c c o u n t e sf o r7 5p e r c e n to ft h et o t a lw a t e r,t h e r e f o r e，t h ep r o m o t i o no fa g r i c u l t u r a li r r i g a t i o nw i t ha u t o m a t i cc o n t r o ln o to n l yc a ne a s et h ea c u t es h o r t a g
5、eo fw a t e rc o n f l i c t s，b u tc a l la l s oi n c r e a s ec r o py i e l d，r e d u c et h ec o s to fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t s G i v e nt h es p e c i a ln a t u r eo fa g r i c u l t u r a li r r i g a t i o na n dC h i n a Sn a t i o n a lc o n d i t i o n s，t h ew i r e l e s
6、sr e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yu s e di nt h ei r r i g a t i o ns y s t e m sh a sav e r yv a s tp r o s p e c t T h et e c h n o l o g yo fw i r e l e s sS e n S O rn e t w o r ki nt h ea p p l i c a t i o no fm i c r o-i r r i g a t i o nm o n i t e r i n gs y s t e m sh a v eb e e n
7、r e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l e；a n dam o n i t o r e da n dc o n t r o l l e db yt h ee m b e d d e dc o m p u t e rt e r m i n a l sa n dt h ec e n t r a lc o n t r o li r r i g a t i o nn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d T h es y s t e mi n t r o d u c e st h
8、 el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t si nt h ef i e l do fc o m p u t e rs y s t e m s，e l e c t r o n i c s，c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k se t c，u s i n gt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y,t h r o u g ht h ec o n t r o lo fG P R Sw i r e l e s sc o m m
9、u n i c a t i o n sm o d u l e sa n dZ i g B e eR Fm o d u l et o i m p l e m e n t i n gt h es o i lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yd a t at r a n s m i s s i o na n di n t e r a c t i v e，f i n a l l yt oi m p l e m e n t i n gt h ea u t o m a t i ci r r i g a t i o n T h ef o l l o w i n
10、 gm a i ne l e m e n t sa r er e s e a r c h e di nt h ep a p e r：F i r s t l y,b yc o m p a r i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lM i c r o i r r i g a t i o nm o n i t e r i n gs y s t e m，t h em i c r o-i r r i g a t i o nm o n i t e r i n gs y s t e mm o d e li se s t a b l i
11、s h e dr e f e r r i n gt oC h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n s；t h e nt h eo v e r a l ld e s i g no ft h em i c r o i r r i g a t i o nm o n i t e r i n gs y s t e ma n dt h es y s t e mo v e r a l lf r a m e w o r kp r o g r a m m ea r eg i v e n S e c o n d l y,t h eh a r d w a r eo fn
12、o d e so ft h em i c r o-i r r i g a t i o ns y s t e m su n d e rt h ec o n t r o lo ft h ep l a n ei sd e t a i l e d l yd e s i g n e d；a n dt h eh a r d w a r em o d u l ec i r c u i ti sc o m p l e t e d T h i r d l y,o nt h eb a s i so fZ i g B e ep r o t o c o ls t a c k,t h ef u n c t i o na
13、 n ds t r u c t u r eo fs o f t w a r e o ft h ec r e wa r ei m p l e m e n t e dt h r o u g hp r o g r a m m i n g；t h es o f t w a r eo ft h em i c r o-i r r i g a t i o nm o n i t e r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d；t h ec r e wa n dP Cd a t at r a n s f e ri si m p l e m e n t e d F i n a l l
14、 y,t h es y s t e m sa r ed e b u g g e di nt h el a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t；t h ed a t ac o m m u n i c a t i o n se x p e r i m e n t sa r ed o n e T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eZ i g B e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc a l lu s e df o rt h ea 鲥
15、c u l t u r a li r r i g a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m K e yw o r d：M i c r o i r r i g a t i o n，Z i g B e e，W i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k，P I CM i c r o c o n t r o l l e r,M o n i t o r i n gs y s t e m声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含
16、我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。研究生签名：学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。嬲年月刁E t坝l 二论文幕于无线传感器嘲络的微灌慨摔系统的研究j j 开发1 绪论1 1 课题研究背景及目的和意义1 1 1 课题研究背景水资源是人类赖以生存的生命线，是经济发展和社会进步的重要物质基础。节约用水，既是关系人口、资源、
17、环境可持续发展的长远战略，也是当前经济和社会发展的一项紧迫任务。很多调查都表明，水资源紧缺的矛盾将成为2 l 世纪阻碍经济发展的重要瓶颈。我国是一个水资源贫乏的国家，已被联合国列为1 3 个贫水国家之一，尤其北方有些地区水资源的占有量仅为9 0 0 m 3，低于国际公认的1 0 0 0 m 3 的水资源下限，有些地区甚至低于世界最贫水的国家埃及和以色列的平均水平。我国的农业用水量约占总用水量的7 5，主要用于农业灌溉，但我国农业灌溉用水的利用率仅为4 5，而水资源利用率高的国家己达到7 0 -8 0，因而解决农业灌溉用水的问题对于缓解水资源紧缺是非常重要的。节水灌溉是农业灌溉的一场革命，是解决
18、农业干旱缺水问题，实现可持续发展的一项重要战略举措【l】【2 1。随着我国农业结构调整和农业可持续发展战略的实施，在我国推广节水灌溉技术己迫在眉睫。目前，在我国的大部分地区，农民对该项技术的需求很迫切，为了更好的服务于农民，服务于社会，我国必须要加大对节水灌溉技术的研究，提高科研水平，加快研制出符合我国国情的、先进合适的节水灌溉产品；从而逐步将节水灌溉技术提高到一个新的层次。因此，从我国现阶段的国情出发，制定出一套合适的节水灌溉模式来满足社会的需求已成为该领域学者研究的热点之一。微水灌溉作为一种先进的节水灌溉技术，由于具有节水、低能耗、省工增效等诸多优点，目前世界上绝大部分国家都开始应用该项技
19、术，微水灌溉技术在世界各国的农业中都占有重要地位。微灌是一种现代化的精细高效节水灌溉技术，它是当前世界上诸多节水灌溉技术中省水率最高、最为先进的一种灌溉方法。近十年来，微灌系统作为新兴的灌溉技术之一在世界各国都得到了较快的发展。从7 0 年代中期到9 0 年代中期，微灌在部分发达国家迅速推广，1 9 8 3 年全世界微灌面积达到4 3 万h m 2，其中美国占一半以上。到9 0 年代中，全世界微灌面积达到2 9 1 3 万h m 2，约占全世界灌溉面积的1 1 t 3 J【4 J【5 1。微水灌溉作为一种先进的节水灌溉技术，由于具有节水、低能耗、省工增效等诸多优点，目前世界上绝大部分国家都丌始
20、应用该项技术，它在世界各国的农业中都占有重要地位。l绪论硕1 二论文微水灌溉(简称微灌，包括滴灌、微喷灌等)是利用微灌系统设备按照作物需水要求，通过低压管道系统与安装在尾部(末级管道上)的特制灌水器(滴头、微喷头、渗灌管和微管等)，将作物生长所需的水和养分以较小的流量均匀、准确地直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中，使作物根部的土壤经常保持在最佳水、肥、气状态的灌水方法。微灌的特点是灌水流量小，一次灌水延续时间长，周期短，需要的工作压力较低，能够较精确地控制灌水量，把水和养分直接输送到作物根部附近的土壤中，满足作物生长发育的需要。微灌系统主要包括灌水器、过滤、施肥和自动控制等设备6 1。微
21、水灌溉技术是一种先进的节水灌溉技术，随着水资源的同益紧缺和农业机械化的要求，具有很好的应用前景。微灌系统可以根据作物不同生长期对水、肥的需求，适时、适量地进行科学合理灌溉，节水省肥，具有灌溉均匀、土壤不板结、保土保肥、调节F f l 间气候、提高地温等特点，对提高农作物产量，改善农副产品质量，实现增产、增收有重要作用。微灌与漫灌相比，增产可达1 叫0，节水可达4 0,-7 0，经济效益和生态效益显著。根据控制系统运行的方式不同，微灌控制一般可分为手动控制、半自动控制和全-自动控制三类 8 1。(1)手动控制系统。系统的所有操作均由人工完成，如水泵、阀门的开启、关闭，灌溉时间的长短，何时灌溉等等
22、。这类系统的优点是成本较低，控制部分技术含量不高，便于使用和维护；不足之处是使用的方便性较差，不适宜控制大面积的灌溉。(2)半自动控制系统，系统中在灌溉区域没有安装传感器，灌水时间、灌水量和灌溉周期等均是根据预先编制好的程序，而不是根据作物和土壤水分及气象资料的反馈信息来控制的。这类系统的自动化程度不等，有的一部分实行自动控制，有的是几部分实行自动控制。(3)全自动控制系统。系统不要人直接参与，而是通过预先编制好的控制程序和根据反映作物需水的某些参数可以长时间地自动启闭水泵和自动按一定的轮灌顺序进行灌溉。人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。在该系统中，除灌水器、管道、管件及水泵、电机外，还
23、包括中央控制器、自动阀、传感器(土壤水分传感器、温度传感器、压力传感器、水位传感器和雨量传感器等)及电线等。采用传感器来检测土壤的墒情和农作物的生长情况，实现水管理的自动化，对灌区用水进行实时监测预报，从而实现动态管理，这将极大地促进传统的充分灌溉模式向非充分灌溉模式的发展。1 1；2 课题研究目的和意义高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率，要真F 实现水资源的高硕卜论义甚于无线传感器M 络的微灌监控系统的a J F 9 r：。j 开发效，仅凭单项节水灌溉技术是很难解决的，必须对水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水需肥规律等方面进行统一考虑，做到降雨、灌溉水
24、、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。把自动控制技术和微灌技术有机的结合起来，对提高节水灌溉的自动化水平，更快更准确地掌握作物的生长情况、生长环境及生长规律，更精确更及时地控制灌溉，节约劳动力，提高对农业投入的经济效益具有重要的意义。灌溉自动控制模式与人工控制方式相比，具有节省水、能耗、人工等优点，并可基本消除在灌溉过程中人为因素造成的不利影响，提高操作的准确性。在灌溉系统中合理的推广自动化控制，不仅可以提高水资源利用率，缓解水资源同趋紧张的矛盾，而且还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本，有利于我国广大农村劳动力的转移。由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测
25、预报，实现动态管理。通过采用传感器来检测土壤的墒情和农作物的生长，实现水管理的自动化。研究表明，现代智能型灌溉控制系统是阳间管理的有效手段和工具，它可提高操作的准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、按需、实时地给作物自动补充水分，以提高产量、质量，节水、节能。然而，现代灌溉控制器在我国农、林及园艺中的使用并不多，与发达国家相比，有较大的差距，还基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程的自动化控制系统，也是根据经验来确定每天灌溉次数和每次灌溉量，很多时候会造成资源浪费，同时传统的灌溉方法还需要相关专家的实时观察并根据经验
26、指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。我国先后引进了以色列、美国、法国、德国等国家的部分先进灌溉控制设备，但大多价格昂贵，维护保养困难，多数用于农业示范区、科研单位或高校。我国自己的现代灌溉控制系统的研究和使用尚处于起步阶段【5】9 1。因此，作为一个农业大国，中国研究开发自己的先进的低成本、使用维护方便、系统功能强且扩展容易的灌溉控制系统是一项极有意义的工作。随着计算机技术和无线网络技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发
27、展带战略性的根本大事。本文旨在设计一套基于Z i g B e e 无线传感器网络技术，能对作物生长的土壤温、湿度进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌溉，起到高效灌溉，节水、节能的作用。1 绪论硕I j 论义1 2 国内外研究现状1 2 1国外研究现状国外灌溉监控系统在运行、管理方面的自动化程度较高，而且系统也比较完善。其中在农业机械化和自动化程度较高的美国、日本、荷兰、西班牙和以色列等国家中，很多灌溉控制技术值得我国在农业灌溉现代化过程中借鉴。(1)日本的灌溉管理几乎全部实现了自动化，监控系统大都采用集中管理的分层分布式结构，即在一个水系上设有中央管理站，采用计算机和遥测、遥控装置
28、对各种泵站、水工建筑物、渠道等进行集中监控，以达到水资源综合利用的目的。各分站和中央管理站之间采用无线电进行联系，也有采用国家专用电话线进行联系的，七八十年代新装的设备大多采用微波通信【|0】。(2)荷兰灌溉采用的自动化仪表多为智能型，如功率表、水位表、水位计等，它本身能长期进行自动记录，可供同后作为水文资料进行查询和存档。西班牙伽米拉地区的遥控灌溉系统在控制中心通过M O D E M 和无线电发射塔经过多个中继站可以直接控制终端的泵和阀门的启动和关闭；用户可以通过国际互联网与控制中心取得联系，间接的对灌溉系统进行操作I l l】。但是这种控制方式投资很大，不适合我国的基本国情，特别是我们国家
29、广大农村地区。(3)地处干旱缺水地带的以色列是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家，目前全国农业土地基本上实现了灌溉管理自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥等直接送入作物根部，水资源利用率相当高。在以色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制(无线、有线)的农场主，设定灌溉间隔时间，操作方便，自动化，对灌溉过程的控制可达到相当高的精度【5】。发达国家为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求，非常重视空间信息技术、计算机技术和网络技术等高新技术的应用。1 2 2 国内研究现状国内在灌溉自动化方面有一些相关的报道，但是在远程控制灌溉方面的成熟经验还比较少。(1)湖南省
30、欧阳海灌区配水管理遥测系统采用无线数传电台组成通讯网络，监控中心以D O S 操作系统为平台，操作界面采用C 语言编程；下位机以单片机为核心，能够实现自动采集水位数掘【1 2】。该系统的缺点在于只能监测，不能控制下位机的动作，而且监控中心界面相对比较简陋。最重要的是采用无线数传电台组成的通讯网络，其组网费用很高。(2)红旗渠灌区自动化管理系统中的下位机采用单片机以及可扩展存储器部件，4硕L 论文击与于无线传感器州络的微灌临挡系统的研究o j 开发可现场和远程控制闸门，记录水位和流量；中心站采用W i n d o w s 3 2 操作系统，能够实现远程开关闸门、水位统计和报表打印【1 3】14
31、1。该系统中下位机最多只能控制两个闸门，对传感器信号有严格的限制，中心站只能远程简单的对闸门进行开关操作，下位机不能按照目标值自动调节闸门。另外，随着计算机软硬件的更新换代，中心站操作系统和软件界面已经不能满足用户和管理者的需求。上述的灌溉控制系统中，基本都能够实现远程控制。但是组建整个灌溉系统的费用偏高，农民尽管知道能节能、节水、增产，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，所以根本无法普及应用。国内其他灌区在实时控制和管理方面比较落后，控制系统与管理系统根本没有关联。1 2 3 发展趋势目前研制的微灌系统投资、维修、运行费用太高，且过于复杂、专业化，因而降低节水灌溉系统的造价和运行费用，使
32、该项技术更容易被用户接受，能够更好地适应我国的国情，一直是节水灌溉研究的方向。因此，我国在灌溉系统方面仍需进一步研究，以便开发设计出更多价廉物美的产品。随着科学技术的发展和实际生产的需要，节水灌溉中的自动控制系统主要向智能化、系列化和网络化方向发展。对于小面积的节水灌溉应用，如家庭庭院、小型温室、塑料大棚等，自动控制系统要做成小型化、智能化，使用操作方便：而对于大面积节水灌溉则要与各种传感器相结合，编制软件，通过无线遥控技术，实现在办公室或家中对灌溉水和施肥的精确控制。整套灌溉系统具有监测阳间湿度(水势和含水量)、土壤温度、气温、土壤湿度、降水量、蒸发量、土壤储水量、土壤或灌溉水P H 值等参
33、数的功能。根据监测到的数据计算灌水时间与灌水量，将监测与计算结果用曲线显示并可打印输出，并通过无线传输技术对水泵和管道阀门实施按需自动控制，而且能够对系统中出现的故障实施报警与控制。1 2 4 基于无线传感器网络的微灌监控系统基于Z i g B e e 无线传感器网络的微灌监控系统就是在上述背景及需求下提出并进行设计和研发的，本课题来源于南京农业机械化研究所的项目需求。基于Z i g B e e 无线传感器网络的微灌监控系统采用了传感器网络和Z i g B e e 技术后，农业将可以逐渐转向以信息和软件为中心的生产模式。经d j Z i g B e e 网络将监测的数据传输到中央监控设备供用户
34、决策和参考，这样用户能够及早、准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。Z i g B e e 网络可由一个总节点管理若干子节点，一个总节点可以管理2 5 4 个子节点，若干总节点可组成6 5 5 3 6 个节点的大型网络，可以用于大面积的灌溉。同时Z i g B e e 网络架构简单、省电，最重要的是价格很低。这些优点都是当前甚至未来农业节水灌溉l绪论顾J 论文所追求的目标。在微灌监控系统中采用Z i g B e e 无线传感器网络节点将监测到的信息传输到中央监控计算机，并将灌溉信息通过无线传输对水泵和管道阀门实施按需自动控制，实现在家中或办公室对灌溉水的精确控制。Z i g B e
35、 e 技术可以应用于数字家庭领域如家庭的照明、温度、安全、控制等；应用于工业领域如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等。因此，可以预计无线传感器网络的广泛应用是一种必然的趋势，而将其用于现代农业的节水灌溉具有技术新、成本低、控制容易、实时性好、体积小等优点。因此，本课题的研究具有很好的应用前景和重要的现实意义。1 3 无线传感器网络1 3 1 无线传感器网络概述无线传感器网络(W S N：W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k)是由多个节点组成的面向任务的无线网络，是一种无基础设施的网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无
36、线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，能协作地进行实时监测、感知和采集节点部署区域的各种环境或监测对象的信息(如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络是一个热点的研究领域，它在环境监测、医疗护理、抢险救灾、智能家居、工业生产控制以及商业等领域具有广阔的应用前景【1 5】【1 6】。本文将这一技术运用到现代微灌系统中，实现微灌系统的自动控制，实现低成本、节水、智能灌溉。在无线传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集
37、的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到汇节点。汇节点往往个数有限，而且常常能量能够得到补充；汇节点通常使用多种方式(如I n t e m e t、卫星或移动通信网络等)与外界通信。典型的无线传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点、汇节点、互联网和用户界面等，如图1 3 1 1 所示。绝大多数节点有很小的发射范围，而汇节点具有较多的能量，发射能力较强，能把网络采集到的数据传送给远程控制节剧。7】。6硕I：论义桀十无线传感器州络的微灌临掩系统的研究。j 开发一=疋奠一o-呈,Ot3一f互联网络、ooL1 监测区域o。no丫毒尹一用户管理1-4=I 者强 占图1 3 1 1典型的无线
38、传感器网络体系结构传感器节点数目非常庞大，通常采用不能再次利用的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期【l8 1。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元4 部分组成，如图1 3 1 2 所示。图1 3 1-2 无线传感器网络节点的典型组成此外，还可以选择的其它功能模块如：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负
39、责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。1 3 2 无线传感器网络的几种实现方案(一)采用I E E E 8 0 2 1 1 b 实现W S NI E E E8 0 2 1 1 是无线局域网(W L A N)标准，主要用于实现小范围内的移动组网和无线接入【1 9】。在8 0 2 1 1 的基础上又推出8 0 2 1 1 a 和8 0 2 11 b 两个标准。8 0 2 1 1 a 工作在5 G H z 的频段，速率可达5 4
40、 M b p s，由于设备昂贵，应用较少。8 0 2 1 l b 使用开发的2 4 G H z 微波频段，最高速率为11 M b p s，在办公环境下作用范围约1 0 0 m 左右，在室7l绪论硕七论文外可达3 0 0 m。但是8 0 2 1 1 b 的射频和基带协议比较复杂，实现成本高(1 0 0 美元2 0 0 美元)，同时8 0 2 1 1 b 的硬件实现需要较大的容纳空间，它的平均功耗在1 w 左右。这在无线传感器网络中显然是不可行的。(二)采用蓝牙(B l u e t o o t h)实现W S N蓝牙(B l u e t o o t h)技术是一种无线数据与数字通信的开放性规范【l
41、9 1。它由爱立信、诺基亚、东芝、I B M 和英特尔公司5 家厂商在1 9 9 8 年提出，主要应用于移动设备间的小范围连接，本质上是用来代替线缆。它采用快跳频技术，使用2 4 G H z 频段进行通信，具有较高的抗干扰能力和安全性能。它可以支持数掘和语音传输，最高速率为1 M b p s，一般有效通信范围为1 0 米，强的可以达1 0 0 米左右。蓝牙技术的实质是建立通用无线接口及其控制软件的标准，使移动通信与计算机网络之间实现无缝连接。如果在数字化的控制系统和传感器中嵌入蓝牙技术，则可以实现系统数据和控制命令的无线传输，这对于许多应用领域都是十分重要的。然而使用蓝牙技术来实现无线通信，需
42、要使用专门的蓝牙芯片，蓝牙芯片的价格在6-1 0 美元之间，这对网络传感器来说是不能承受的。而且，蓝牙协议栈的大小在6 0,-1 5 0 K 左右，这对内存资源非常有限的传感器节点来说也是不适合的。(三)采用Z i g B e e 技术实现W S N用Z i g B e e 实现无线传感器网络就是基于I E E E8 0 2 1 5 4 技术标准和Z i g B e e 网络协议而设计的无线数据传输网络。相对于现有的各种无线通信技术，低功耗、低速率的Z i g B e e 技术是最适合作为传感器网络的一种标准；Z i e；B e e 技术适合于承载数据流量较小的业务，特别是传感器网络 2 0
43、l。在基于Z i g B e e 的无线传感器网络中，可以由全功能设备作为网关节点，终端节点一般使用削减功能设备来降低系统成本和功耗，提高电池使用寿命。单个网络中可容纳更高密度的节点。一个Z i g B e e 网络可以容纳最多2 5 4 个从设备和1 个主设备，一个区域可以有1 0 0 个Z i g B e e 网络同时存在，特别能满足大规模传感器阵列的要求。Z i g B e e 协议栈长度平均只有B 1 u e t o o t h 或其它I E E E8 0 2 11 的1 4，这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。无线传感器网络是一种特殊的A d H o c 网络，网络中节点密
44、集，数量巨大且分布在十分广泛的区域。无线传感器网络通常并不需要较高的传输带宽，但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列，而Z i g B e e 的出现正好解决了这一问题。Z i g B e e 有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得Z i g,B e e 与无线传感器网络完美地结合在一起，使其成为发展前景最为看好的无线传感器网络。综上所述，综合考虑各方面的因素，本文决定采用Z i g B e e 技术实现无线传感器硕 二论文挂十无线传感器例络的微灌临挖系统的研究j 开发网络。1 3 3Z i g
45、 B e e 无线传感器网络特点无线传感器网络是基f f：I E E E 8 0 2 1 5 4 技术标准和Z i g B e e 网络协议而设计的无线数据传输网络。这种网络是中短距离、低速率无线传感器网络，射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗低，适于电池长期供电，可实现一点到多点、两点间对等通信，快速组网自动配置，自动恢复和高级电源管理，网络中任意个传感器之间可相互协调实现数据通信。该网络主要应用在温湿度监控、压力过程控制数据采集、流量过程控制数据采集、工业监控、楼宇自动化、数据中心、制冷监控、设备监控、社区安防、环境数据检测、仓库货物监控等方面。这种网络的系统特点有1 9】【2 I
46、】：(1)支持Z i g B e e 网络协议无线传感器网络支持Z i g B e e 网络协议，数据传输中采用多层次握手方式，保证数据传输的准确可靠；采用2 4 G H z 频率，功率小，灵活度高，符合环保要求，符合国际通用无须批准的规范。(2)组网灵活、配置快捷无线传感器网络系统非常容易进行快捷配置，组网接入灵活、方便，几台、几十台或几百台均可，最多可达6 万台；可以在需要安放传感器的地方任意布置，无须电源和数据线，增加和减少数据节点非常容易。由于没有数据线，省去了综合布线的成本，无线网络传感器更容易应用，安装成本非常低。(3)节点耗电低系统节点耗电低，电池使用时间长，支持各种类型的传感器
47、和执行器件。(4)双向传送数据和控制命令不但可以从网络节点传出数据，而且双向通信功能既可以将控制命令传到无线终端相连的传感器、无线路由器，也可以将数据送入到网络显示或控制远程设备。(5)迅速简单的自动配置无线传感器网络终端自动配置，当终端设备上的L E D 变为绿色时，说明该终端设备在网络系统中。(6)全系统可靠性自动恢复功能内置冗余保证，万一某个节点不在网络中，节点数据将自动路由到一个替换节点以保证系统的可靠、稳定。(7)系统产品服务为了用户实际构建无线数据网络系统的需要，可以提供完整的解决方案，包括现有数据系统的接口转换、数据集中管理平台等。不断的技术支持包括新增的传感器、9l绪论硕：l：
48、论义4-2 0 m A 输入和R S 2 3 2 等。1 4 主要研究内容和论文结构从我国现阶段的国情出发，制定出一套合适的灌溉模式迫在眉睫。因此本文提出基于Z i g B e e 无线传感器网络的微灌监控系统。该系统采用了传感器和Z i g B e e 网络，用传感器来检测土壤的墒情和农作物的生长情况，经哇t Z i g B e e 网络将监测到的信息传输到上位机，通过无线传输对水泵和管道阀门实施按需自动控制，实现灌溉自动化。本论文的大致结构如下：第l 章：绪论。介绍了课题的研究背景及目的意义，简要介绍了无线传感器网络及Z i g B e e 无线传感器网络特点；阐述本课题的国内外研究现状、
49、发展趋势，在此基础上提出课题以及研究的主要内容。第2 章：Z i g B e e 技术。主要介绍了Z i g B e e 无线网络技术的基本概念、技术基础和特点：详细介绍了Z i g S e e 协议栈结构和原理，并介绍了Z i g B e e 广泛的应用领域和前景。第3 章：微灌监控系统的总体架构：主要完成了微灌监控系统的总体设计，包括系统的组网方案设计以及微灌监控系统的模型选择和设计。第4 章：基于无线传感器网络的微灌监控系统硬件设计。主要完成了微灌控制器的选型及其相应电路设计。对无线通讯模块的硬件电路进行了详细设计，选择合适的温湿度传感器、电磁阀并设计了相应的硬件电路，最后设计了各能量供
50、应管理模块。第5 章：基于无线传感器网络的微灌监控系统软件设计。在M P L A BI D E 开发调试环境下采用M S S T A T EL R W P A N 协议栈对Z i g B e e 无线传感器网络中各节点功能进行了软件设计和无线网络通信协议的设计，实现了Z i g B e e 无线传感器网络节点的通讯；对中央监控系统进行了功能设计并在V B 开发环境下进行了界面设计，实现了Z i g B e e 无线传感器网络和微灌监控中心的通讯。第6 章：系统调试和分析。完成了整个系统调试包括Z i g B e e 无线传感器网络节点通讯调试、Z i g B e e 无线传感器网络通过G P