（机械电子工程专业论文）基于无线传感器网络的微灌监控系统的研究与开发.pdf

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 t o 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 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 n o 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 eo f w 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 e w i r e l e s 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 n m o n i t e r i n gs y s t e m sh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l e ；a n da m o n i t o r e da n dc o n t r o l l e db y t 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 g s 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 el a t e s t r e s e a r c hr e s u l t si nt h ef i e l do f c 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 g t h ew i r e l e s s c 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 u n i c a t i o n s m 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 a t 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 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 e d 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 n m 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 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 e o 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 k p 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 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 s u 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 s c 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 n ds t r u c t u r eo f s 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 e o ft h e m 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 i s d e s i g n e d ；t h ec r e w a n dp cd a t at r a n s f e ri s i m p l e m e n t e d f i n a l l 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 a c 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 e w 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、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。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、 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 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 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, o t3一 f 互联网络 、o o l1 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 n i 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 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 7 l 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【l9 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 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 3 z i g 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 】： ( 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、 9 l 绪论硕：l ：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、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 r s 模块与监控中心的通讯调试。 第7 章：总结与展望。总结课题研究的成果及不足，以及对后期研究的展望。 1 0 硕i j 论文甚于无线传感器i 叫络的微灌监摔系统的研究o j 开发 2 z i g b e e 技术 2 1 z i g b e e 无线网络技术基础 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线技术和蓝 牙技术之间的技术方案。它此前被称作h o m e r fl i t e 或f i r e f l y 无线技术，主要用于 近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现 通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感 器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高，最后这些数据可以进入计算机用 于分析团】。 相对于常见的无线通信标准，z i g b e e 协议栈紧凑简单，具体实现要求很低，只要 8 位处理器再配上4 k br o m 和6 4 k br a m 等，就可以满足其最低需要，从而大大降 低了芯片的成本。 2 1 1 z i g b e e 与i e e e8 0 2 1 5 4 的区别 i e e e 8 0 2 1 5 4 是一个新兴的无线通讯协议，是i e e e 确定的低速个人区域网络 ( p e r s o n a la r e a n e t w o r k ) 标准。这个标准定义了“物理层”( p h y s i c a ll a y e r ，p i t y ) 和“介 质访问层”( m e d i u ma c c e s sl a y e r ，m a c ) 。物理层规范确定了在2 4 g h z 以2 5 0 k b s 的基 准传输率工作的低功耗展频无线电以及另有一些以更低数据传播率工作的9 1 5 m h z 和 8 6 8 m h z 的实体层规范。介质访问层规范定义了在同一区域工作的多个8 0 2 1 5 4 无线 信号如何共享空中通道【2 4 】【2 5 】。 但是，仅仅定义物理层和介质访问层并不足以保证不同的设备之间可以对话，于 是z i g b e e 联盟应运而生：众多设备生产厂家联合在一起，推出一套标准化平台 z i g b e e 。z i g b e e 建立在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准之上，它确定了可以在不同制造商之间 共享的应用纲要。z i g b e e 不仅只是8 0 2 1 5 4 的名字，i e e e 仅处理低级m a c 层和物理层 协议，所以z i g b e e 联盟对其网络层协议矛i i a p i 进行了标准化。完全协议用于一次可直 接连接到一个设备的基本节点的4 k b 或者作为路由器或协调器的3 2 k b 。每个协调器 可连接多达2 5 5 个节点，而几个协调器则可形成一个网络。z i g b e e 联盟还开发了安全 层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会 被其他节点获得。 2 1 2 z i g b e e 技术的特点 z i g b e e 技术的主要特点包括以下几个部分： ( 1 ) 数据传输速率低。只有1 0 k 字节秒n 2 5 0 k 字节秒，专注于低传输应用，功 2 z i g b e e 技术 硕：论文 耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年，免去了充电或 者频繁更换电池的麻烦。这也是z i g b e e 的支持者所一直引以为豪的独特优势。 ( 2 ) 成本低。因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 ( 3 ) 网络容量大。每个z i g b e e l 网络最多可支持2 5 5 个设备，也就是说，每个z i g b e e 设备可以与另夕b 2 5 4 台设备相连接。 ( 4 ) 时延短。通常时延都在l5 毫秒至3 0 毫秒之间。 ( 5 ) 安全。z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ， 同时可以灵活确定其安全属性。 ( 6 ) 有效范围小。有效覆盖范围在1 0 米到7 5 米之间，具体依据实际发射功率的 大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 ( 7 ) 工作频段灵活。使用的频段分别为2 4 g h z ，8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美 国) 。 随着研究的进一步深入，传感器将变得更小，而且功能会越来越多，最终，他们 可能会微缩到尘埃大小。届时，数以千计的微小传感器或者称为“智能尘埃”将被释 放到大气中来检测任何东西。 2 1 3 网络配置 z i g b e e 无线网络可采用多种类型的配置，如图2 1 3 所示。星形网络配置由一个协 调器( c o o r d i n a t o r ) 节点( 主设备) 和一个或多个终端设备( e n dd e v i c e ) ( 从设备) 组成。协 调器是实现了一组很多z i g b e e 服务的一种特殊的全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e , f f d ) 。终端设备可能是f f d 或简化功能设备( r e d u c e df u n c t i