基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

y agricultural production． Firstly,according to the design requirements of hardware and software system，thisdissertation discusses the research scheme of greenhouses monitoring system based onwireless sensor work． On this basis， the research focuses on the hardware design of thenode system which takes temperature and humidity sensor,AVR ATmega l 28 L and CC2400 asthe ponents， and the transplantation of TinyOS operating system in order to obtain the real time data by wireless sensor work， a method basedon middleware is introduced for monitoring software of wireless sensor work in LabVIEW． The software reads XM L socket to obtain wireless sensor work data that through standardgeneral interface provided by middleware． Consequently,the system visual management canbe convenient realized Keywords： Wireless sensor works； Greenhouse； Temperature and Humidity； Date fusion；LabVIEW 1 1 绪论 课题的背景、目的与意义 我国是世界上设施栽培面积最大的国家，而且近几年国产连栋温室每年以新增 100～150公顷的面积快速发展。 引导温室用户根据作物的要求进行环境因子的调节以获得作物产 量和品质的提高，是温室环境因子调控决策支持系统的主要目标和方向 [1]。 然而，目前的温室测控系统大多采用有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这不 仅大大增加了电气工程施工费用，也导致施肥等工作困难；此外，系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力，维护工作量大，也不利于系统升级。 因此，为了实现温室农作物的优质、高产和高效， 开 发和研制一种新型的温室环境测控系统是十分必要的 [2]。 无线传感器网络技术是现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科的综合。 把无线传感器刚络技术引入到温室大棚生产中来，农业将有可能逐渐地从以人力为中心，依赖于孤立的生产模式转向以信息和软件 为中心的生产模式 [3]。 从而实现温室信息采集自动部署 、自组织传输和智能控制、大幅度 提高单位面积的劳动生产率和资源产出率、改善温室等设施内工作环境和工作条件、提 高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，对实 现温室作物生产的可持续发展具有重要意义 [4]。 本课题基于无线传感器网络技术，研究温室环境中温湿度智能监测系统的相关技术，为实现温室无线传感器网络监测系统奠定良好基础。 国内外研究现状 无线传感器网络技术研究现状 无线传感器网络是将无线通信技术、传感器技术和网络技术相结合构成的能够根据 环境自主完成指定任务的智 能自治测控网络系统。 因其具有随机布设、自组织、环境适应等特点，非常适合应用于布线、电源供给困难的区域、人员不易到达的区域，已广泛应用于国防军事、工农业生产、环境科学、交通管理、灾害监测等领域。 从 2020年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，美国等发达国家在无线传感器网络领域方面有了较深入的研究。 2020年，在美国自然科学基金委员会的支持下，制定了无线传感器网络的研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，展开“嵌入式智能传感器 ”的研究项目与此同时加州大学伯克利分校、麻省理工学院 、康奈尔大学、斯坦福大学等研究机构开始了无线传感器网络的理论与关键技术的研究 [5]。 斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感 器资源管理的对偶空问方法以及由无 2 线网连接传感 器和控制器构成的闭坏控制系统的框架；麻省理工学院丌始研究超低能源无线传感 器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题。 美国国防部及各军事部门都对无线传感器网络高度重视，将其视为一个重要的研究领域，并设立了一系列的军事传感器网络研究项目。 美国 Intel公司、 Microsoft公司等信息业巨头也丌始了无线传感器网络方面的研究 工作。 在 Intel资助下，康奈尔大学启动了 COUGAR项目，提出“网络就是数据库”，着力于把分布式查询技术应用于感知数据查询。 2020年 12月 ZigBee联盟制定出了 ，该标准是基于 、低功耗、低成本的远程监控、传感及控制的无线标准，提供了网络、安全和应用支持服务，极大地促进了无线传感器网络技术的快速发展。 [6]2020～ 2020年，乔治工学院在 NSF资助下，进行了 SensoNet项目，研究适合无线传感器网络的通信协议、 MAC协议、时问同步、拓扑控制和时空相 关分析等。 日本、德国、英国、意大利等科技发达国家同样对无线传感器网络表 现出了极大的兴趣，近年来也纷纷展丌了相关领域的研究工作。 克尔斯 公司是从事无线传感器网络产业化中最著名的公司，主要针对航空电子、交通运输、无人探测、环境监控、测控测量等具体应用定制相应无线传感器网络节点和应用方案，截止 2020年，该公司已经生产了Mica Micaz、 IMote2等一系列典型的商业化传感器节点 国内有关无线传感器网络的研究也很快跟进，清华大学、西北工业大学、国防科技大学、中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所等单位从 2020年起开展了无线传感器网络的相关研究。 从 2020年起，国家自然科学基会设立了 20个与传感器网络关键技术相关的研究项目和重点项目，并带来了传感器网络技术研究的热潮。 2020年底，国家发改委 开 始关注传感器网络的发展，并从 2020年 开 始将传感器网络纳入下一代互联网络试验与应用示范项目中，一方面推进传感器网络本身的技术发展，另一方面直接支持传感器网络与 IPv6网络融合的路由等相关技术，有包括中科院计算所在内的数家单位获得了本项目的支持。 [5]2020年初，国务院发布“国家中长期科学和技术发展规划纠要”，将传感器网络及 其智能信息处理技术作为信息产业及现代服务业领域中的优先发展课题之一。 截止 2020年，中科院上海微系统己经通过系统继承的方式完成了终端节点和基站的 开 发，研制成功各种适合不同使用环境的无线监控网络心；中科院沈阳自动化所提出具有自主知识产权的工业无线网络WIA技术体系，并 开 发出工业无线网络 WIA系列产品 ； 浙江大学现代控制工程研究研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究拓引。 在市场上推广应用比较多的是 ZigBee模块，北京 Heli公司、深圳金图旭昂公司、成都无线龙公司和中科院计算所宁波分所都有相关产品，对无线传感器网络的研究推广做出一定的贡献。 但整体从研究的深度和投入的力量来说，国内的水平相对落后，从问题的点上研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少，这和我国无线传感器网络飞速发展的市场需求不相称， 因此有很多工作要做 [7]。 3 温室测控系统研究现状 世界上温室生产最发达的国家是荷兰，其温室以大型玻璃温室为主体，现有大型连栋玻璃温室面积 m2，约占世界玻璃温室的 1／ 4，居世界之首。 此外，其他国家也 广泛地把现代化温室技术运用到作物的种植中。 英国的智能温室系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制与管理在温室中的成功应用。 美国 开 发的计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的 开 花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。 目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产。 温室环境 测 控技术在许多发达国家如荷兰、美国、以色列等已相当先进，能够达到对多因素综合控制的水平，但其价格昂贵 ，维护不方便，以荷兰为代表的欧美国家温室 测控系统开 始向网络化、无线化方向发展。 2020年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园，用于测量葡萄园中环境的细微变化。 传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。 国内有关温室环境监控方面的研究起步较晚。 温室环境测控设备大都是随着大型现代化温室一同引进的，由于规模大，能耗大，造价高，己被实践证明不适宜于我国的国情，更谈不上经济效益。 随后出现了一些团外的仿造产品，造价仍较高， 且处于实验阶段 ，故推广使用价值不大。 近几年来，我国在温室结构和温室控制两方面开 展了不少研究。 “九五”、“十五”及“ 863”计划都对此给予了很大资助 [8]。 北京农业大学研制成功 型实验温室环境监控计算机管理系统 ；吉林工业大学研制成功用于温室的智能喷水控制器，能够根据温室内的温度、湿度和光照度来自动调节喷水量：中国农业机械化科学研究院研制成功新型智能温室，由大棚本体、通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统和计算机环境参数测控系统等组成。 还有许多高等院校和科研院所都在进行温室控制系统的相关研究，并 且许多单位都己建超或将要建起温室监控系统的总体框架。 随着无线传感器网络技术的快速发展，人们也 开 展了温室无线监测系统的应用研究。 例如：北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用 ”把无线传感器网络示范应用于温室农作物生产中； 2020年 10月，上海市计算机研究所研发三部已将自主知识产权的自组织树型无线传感器网络系统应用到了上海奉贤花卉大棚 监测系统中，大大提高了工作效率。 本课题研究主要内容及论文组织结构 在深入了解国内外温室监控系统研究现状的基础上，根据现代无线技术的发展，介绍了一种新型的 基于无线传感器网络的温室环境温湿度监控系统的解决方案。 该系统采用多个集温度、湿度传感器于一体的传感器模块，分散的采集温室中的环境参数，建立多跳自 4 组网，并利用 ZigBee无线通讯技术，将采集到的数据传送到终端监控中心。 监 控终端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析和超限报警等。 该系统避免了 温室中布线的繁琐，同时该系统有体积小，可重复利用，便于安放等优点。 本文主要研究内容 1)传感器节点硬件和软件系统的研究 传感器节点是整个网络的最基本单元。 目前市场上应用最广泛的是 Crossbow公司推出的 Micaz系列节点，但其存在价格昂贵、接口特殊，必须依赖其特殊程序下载硬件的缺点。 针对此类问题，论文第三章详细研究了传感器节点的组成结构，设计了节点硬件电路，并在 Micaz节点的基础上，增加了 JTAG口、 ISP口和串口，能够节省大量费用，方便无线传感器网络爱好者自行研制节点。 2)终端监控管理软件的设计 无线传感器网络的分析与管理是无线传感器网络研究和应用中的一个重点和难点，网络的分析与管理需要一个后台系统的支持。 无线传感器网络更类似一个工具，像计算 机一样，很多行业的人都需要这种技术来进行他们的各自研究和 部署，这就导致需求是 各式各样的。 能够定制的人机交互图形化用户界面会很 方便大家的使用，例如：做建筑监测的就需要 GUI在采集到数据后还能够方便的进行信号处理、频潜转换了和小波变换等；做白控的就需要类似集散控制系统 的，不但有数据采集，还可以看出节点分布等等 [9]。 目前，此类工具中最具代表性的是 Crossbow公司的 MoteView，但其最大缺点就是 扩展性差。 本文第五章介绍了一利一采用 LabVIEW工具实现无线传感器网络自定义管理 软件的设计方法，从而实现监控系统终端的可视化界面显示，方便用户的管理。 本论文的组织结构 第 1章 绪论，对课题的研究背景、意义以及国内外的发展现状进行论述； 第 2章，阐述了整个系统的体系结构，分析了温室无线传感器网络监测系统的特点，提出了系统设计的总体方案及相关技术指标； 第 3章，详细介绍了无线传感器网络节点的硬件和软件系统，介绍了传感器节点的主要元器件及扩展接口； 第 4章，详细介绍了 开 发客户端数据管理与分析软件系统的关键技术，最后进行了相关的实验测试； 第 5章，总结了本论文完成的重要工作及对进一步研究的展望。 5 2 温室温湿度监测系统设计方案 无线传感器网络在农业中的应用有很 多，本章就以温室环境应用为例，介绍了无线传感器网络技术应用于温室环境监测系统的总体设计方案，可以解决目前远程监控中存在的成本、数量、通信方面存在的诸多问题，实现了远程监测农作物生长的环境信息。 系统设计目标及技术指标 系统功能。