森林信息监测用无线传感器网络节点的研究

论文摘要

通过无线传感器网络对森林信息进行精准监测是目前林业信息技术的一个重要内容,如森林火灾监测、林木生长监测、生态环境监测等。监测网络一般采用了基于ZigBee的树簇状的拓扑结构,用无线跳传的方式将监测的森林信息数据汇集到网络协调器,最后通过Internet或GPRS进行远程传输,实现远程监测。本文针对实际需要,研究开发了面向森林信息监测(如火灾监测、林木生长量监测、环境信息监测等)的无线传感器网络节点,实现了两个节点间的通信。研制的节点采用了Atmel公司推出的与IEEE 802.15.4/ZigBee兼容的高性能2.4GHz射频芯片AT86RF230,该芯片只需很少外围器件就可和单片机构成一个无线通信系统。论文对节点硬件电路原理、设计方法、PCB制做以及数模混合高频电路中的抗干扰措施进行了深入研究。系统的软件设计开发平台基于AVRSTUDIO和ICCAVR,采用C语言完成了层次化的程序模块,阐述了编成思路和基于该硬件平台的数据收发的流程图。在设计中充分考虑到硬件节点功耗低、成本低、体积小等要求。选择了低功耗、高性价比的元器件和PCB天线,在节点休闲时尽量使器件进入休眠节能状态,并及时关闭不用的内部功能模块,从而降低成本与功耗；数字和模拟电源隔离设计,且采用了低压差的二次稳压和电容组合滤波,为元器件提供稳定优良的工作电压；在印制板设计中,按射频区、模拟区、数字区对印制板进行了空间划分,减少相互间的干扰;将晶振地、模拟地、数字地独立开来,采用多点接地技术,并结合大面积的铺地,增强抗扰能力；尤其是小型封装的射频芯片底部的大面积铺地很重要,既有利于散热和器件的工作可靠性,又能延长器件的寿命。通过试验测试,该节点能实现数据的采集(如温度)和远程遥控显示。用五号电池供电,能实现点对点通讯距离为约100m(空阔地带)、约70m(人工林中)。具有较低的功耗和较高的性价比。可应用于森林环境信息的实时监测网络。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 ZigBee无线传感器网络技术的研究现状
• 1.2.1 传感器节点的组成简介
• 1.2.1.1 处理器单元
• 1.2.1.2 无线传输部分
• 1.2.1.3 电源单元
• 1.2.1.4 传感器单元
• 1.2.2 国内外的研究现状
• 1.2.3 存在的问题及未来发展趋势
• 1.3 研究的目的和意义
• 1.4 研究内容及方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究技术路线和预期成果
• 1.4.3 研究过程中遇到的问题和解决措施
• 2 ZigBee无线网络的相关介绍
• 2.1 网络的主要特点
• 2.2 网络设备及拓扑
• 2.3 网络的协议架构
• 3 森林信息监测无线传感器网络及设备
• 3.1 森林信息监测网络的体系结构
• 3.2 网络节点设备
• 3.3 节点设备的主要芯片
• 3.3.1 射频芯片AT86RF230
• 3.3.1.1 射频芯AT86RF230的内部结构及主要性能
• 3.3.1.2 射频芯片AT86RF230的典型应用配置电路
• 3.3.1.3 IEEE.802.15.4的工作模式
• 3.3.2 AVR单片机ATmega8515L
• 4 节点的电路设计
• 4.1 ATmega8515L和射频芯片AT86RF230的接口
• 4.1.1 ATmega8515L的SPI接口
• 4.1.2 SPI主从互联的工作方式
• 4.1.3 AT86RF230的SPI协议
• 4.2 复位和时钟
• 4.3 电源
• 4.4 传感器
• 4.5 天线的选择及匹配
• 4.6 低功耗设计
• 5 软件程序
• 5.1 程序架构
• 5.2 编程思路
• 6 印制板设计、电路调试和通信试验
• 6.1 印制板设计流程
• 6.2 印制板的结构尺寸
• 6.3 印制板的抗干扰设计
• 6.4 电路调试
• 6.5 通信试验及结果
• 7 总结与展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 在读期间发表论文
• 致谢
• 附录A 电路原理图
• 附录B 通信试验测试程序