基于ZigBee无线传感器网络的精准灌溉控制系统

论文摘要

中国是一个水资源短缺的国家。水资源日益短缺,合理开发利用水资源,保护生态环境,维护人与自然的和谐,已经成为21世纪人类共同的使命。农、林、园林绿化灌溉耗水量是巨大的,而且由于农业生产、林业建设、环境绿化的需要,这种耗水又是必须的。科学地节水从而达到最大幅度降低成本,提高产量和最大程度地减少环境污染是现代农林业科技革命的一种创新理念。世界各国纷纷采取加快节水灌溉工程改造,改革灌溉管理机制等措施节约水资源。在灌溉系统中合理地推广自动化控制技术,采用传感器监测土壤的墒情和绿地植被的生长,实现水管理的自动化即精准灌溉控制系统,可以有效提高水资源利用率,缓解水资源危机。引入ZigBee技术的精准灌溉控制系统相比与有线技术,具有复杂度低、功耗低、成本低、携带方便、无需布线等优势,其应用可扩展到工业控制、消费性电子设备、环境监测、农业自动化和医用设备控制等领域。本研究的主要工作内容有：较深入的分析对比国内、外节水灌溉自动控制系统：提出了一套基于ZigBee技术可应用于绿地节水灌溉的自动控制系统方案：深入研究了IEEE802.15.4规范,包括其物理层、媒体控制层规范的相关规约：分析ZigBee技术的基本理论,剖析ZigBee技术的组网方式,重点工作在于基于TI公司的CC2430构建无线土壤水分采集网络,其中包括无线传感器节点、阀门控制节点、网关节点的软硬件设计。应用Visual Basic语言开发了上位机监控软件。系统在北京林业大学主楼前的草坪上进行了安装并对系统的各项参数进行了测试。试验表明：该系统通讯可靠,可以用于绿地土壤含水量的实时监测。在合理设置控制参数设置情况下,可以实现节水的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 节水灌溉国内外发展现状与趋势
• 1.2.1 节水灌溉国外研究现状
• 1.2.2 节水灌溉国内研究现状
• 1.2.3 现有灌溉控制系统分析
• 1.3 无线传感器网络技术简介
• 1.4 本课题的来源
• 1.5 本课题研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 ZigBee协议分析
• 2.1 ZigBee协议综述
• 2.1.1 ZigBee技术特点
• 2.1.2 ZigBee协议模型
• 2.1.3 ZigBee网络拓扑结构
• 2.2 ZigBee规范分析
• 2.2.1 物理层
• 2.2.2 媒体访问控制层
• 2.2.3 网络层
• 2.2.4 应用层
• 2.3 ZigBee应用开发一般步骤
• 2.4 ZigBee技术解决方案简介
• 2.5 本章小结
• 3 系统方案设计
• 3.1 系统需求分析
• 3.2 系统设计原则
• 3.3 系统方案
• 3.3.1 系统组成
• 3.3.2 系统低功耗设计
• 3.4 本章小结
• 4 系统硬件设计
• 4.1 CC2430简介
• 4.2 ZigBee传感器节点设计
• 4.2.1 CC2430最小系统及其射频部分PCB的设计
• 4.2.2 MCU调试接口电路
• 4.2.3 电源供电电路
• 4.2.4 RS485总线接口电路
• 4.2.5 flash存储电路
• 4.2.6 时钟电路
• 4.2.7 土壤含水率采集电路
• 4.2.8 网络状态指示电路
• 4.2.9 功能模块供电控制
• 4.3 ZigBee阀门控制节点设计
• 4.3.1 电磁阀控制接口设计
• 4.4 ZigBee网关节点设计
• 4.4.1 RS232通讯接口设计
• 4.5 本章小结
• 5 系统软件设计
• 5.1 系统软件总体规划
• 5.2 基于Z-Stack构建自己的设计
• 5.2.1 建立程序框架
• 5.2.2 Z-Stack分析
• 5.2.3 Z-Stack应用添加
• 5.3 传感器节点软件设计
• 5.4 阀门控制节点软件设计
• 5.5 网关节点软件设计
• 5.6 客户端软件设计
• 5.6.1 客户端与网关通信协议
• 5.6.2 客户端软件设计
• 5.7 本章小结
• 6 系统测试及结果分析
• 6.1 硬件测试
• 6.2 无线通讯影响因素分析
• 6.3 单点通信距离试验
• 6.4 阀门控制节点控制可靠性试验
• 6.5 多跳网络中各层节点的数据上传可靠性试验
• 6.6 系统无障碍运行时间试验
• 6.7 土壤水分传感器数据分析
• 6.8 本章小结
• 7 系统总结与展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 攻读硕十学位期间发表的论文
• 致谢