多功能粮情智能监测和控制系统平台的研究

论文摘要

全球粮食产量的增长与人口的急速增加之间不能保持同步,加之城市进程化的不断加快,使得粮食需求难以得到满足。减少粮食产后损失,特别是储粮损失已成为各国确保粮食安全的重要途径。要减少粮食储藏中的损失,非常重要的工作是对揭示储粮传热传质的模型进行验证,以找到与实际粮情监控系统的结合点,达到保质、节能、绿色的储粮；另外,要研究以现代电子技术及计算机粮情检测分析控制系统等高新科技手段实现的现代化储粮技术,改变现在粮情监控系统粗放式的管理模式,提高储粮监测质量和监测性能。围绕上述目标,课题研究如何利用无线传感器网络、嵌入式系统、虚拟仪器、自动控制等理论和技术构建新型多功能粮情智能监测和控制系统。本文主要的研究内容如下：1、首次给出了一种进行储粮传热传质模型验证研究和基于无线传感器网络进行粮情监控的研究平台（RP-AMMCS）解决方案；2、针对粮食中无线信号衰减较大、监测节点寿命要求长的特点,提出一种低功耗多参数粮情监测无线传感器节点（Grain-Node）设计方案。该节点体积小、功耗低,可灵活置于粮面和粮堆中组成无线传感网络,实时监测粮温、粮堆缝隙的温湿度及通风压力等参数；通过对节点在空气和粮堆中可靠传输距离的研究,证明其不仅满足模型验证研究的需要,也可用于在粮库中构建无线传感器监控网络。通过对节点的寿命进行理论分析和实际的测试,验证了节点软硬件设计的正确性；3、设计并制作了基于嵌入式处理器的远程数据传输汇聚节点（Server-Node）。该节点能够汇集基于802.15.4/ZigBee的无线传感网络采集的粮情监测数据,经由GPRS模块发送到远程的上位机监测管理系统。同时,它又能从远程上位机监测管理系统获得指令,并把下发命令信息传送到各个传感节点上；4、模拟大气温度湿度的环控舱是一非线性、耦合迟滞及多输入多输出控制系统,根据控温控湿的要求,提出了一种适合环控舱温湿度控制的控制策略,采用多个PID算法实现了温湿度的耦合控制。在系统的实际运行过程中,对控制参数进行了优化；5、在NS2平台上对AODV和Z-AODV路由协议进行了仿真比较；提出了一种将Z-AODV路由协议与节点能量动态使用相结合的能量有效路由算法EEZ-AODV。仿真结果表明,EEZ-AODV算法比Z-AODV在延长网络寿命方面有显著的提高；6、在RP-AMMCS平台上,建立了小麦的温湿度变化趋势预测模块,编写了一套基于LabVIEW和Matlab的可重构数据实时显示、数据管理、通风控制、环控舱温湿度控制及模型预测的上位机管理系统软件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 粮食储藏系统模型和储粮监控系统的研究现状
• 1.2.2 存在的主要问题
• 1.3 论文研究的主要内容
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 RP-AMMCS的系统设计及无线节点的研究与实现
• 2.1 RP-AMMCS系统的框架设计
• 2.1.1 IEEE802.15.4/ZigBee协议规范
• 2.1.2 ZigBee网络拓扑结构
• 2.1.3 ZigBee数据传输机制
• 2.1.4 RP-AMMCS系统的框架设计
• 2.2 可调温湿度环控舱的设计
• 2.3 小试实验粮仓的设计
• 2.4 无线传感器节点Grain-Node的设计与实现
• 2.4.1 Grain-Node节点的硬件设计结构
• 2.4.2 Grain-Node传感器模块驱动程序的设计与实现
• 2.5 嵌入式数据汇聚节点Server-Node的设计与实现
• 2.5.1 Server-Node节点的硬件设计
• 2.5.2 Server-Node节点的软件设计
• 2.6 Grain-Node节点通信距离测试
• 2.6.1 无障碍传输距离测试
• 2.6.2 有障碍传输距离测试
• 2.6.3 粮食间传输距离测试
• 2.7 Grain-Node节点采集数据的响应速度和精度分析
• 2.8 本章小结
• 第三章 基于IEEE802.15.4/ZigBee粮情传感网络通信软件的研究与实现
• 3.1 节点的工作流程
• 3.2 网络地址分配及数据传输
• 3.2.1 网络地址分配
• 3.2.2 组网过程实现
• 3.2.3 数据传输机制
• 3.3 休眠与唤醒发送机制和时间同步算法的研究
• 3.3.1 休眠与唤醒发送机制的实现
• 3.3.2 时间同步协议的实现
• 3.4 Grain-Node节点能耗及寿命分析研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 环控舱温湿度耦合控制的研究与实现
• 4.1 比例积分微分控制
• 4.2 模型无关的PID控制器整定方法
• 4.3 环控舱温湿度控制实现方法
• 4.4 本章小结
• 第五章 粮食温湿度模型预测与监控管理系统
• 5.1 虚拟仪器技术与LabVIEW编程语言
• 5.2 粮食温度湿度变化趋势模型预测与仿真
• 5.3 上位机储粮监控与管理系统的研究实现
• 5.3.1 与PC机近程通讯和数据显示模块
• 5.3.2 数据库访问模块
• 5.3.3 与环控舱PLC通信模块
• 5.3.4 远程通信模块
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于ZigBee协议的节能路由算法的研究
• 6.1 Z-AODV路由协议
• 6.2 Z-AODV的路由过程
• 6.2.1 Z-AODV路由建立过程
• 6.2.2 Z-AODV路由维护过程
• 6.3 NS2中Z-AODV路由协议实现与仿真
• 6.3.1 软件仿真平台简介
• 6.3.2 基于AODV的Z-AODV路由协议及仿真
• 6.4 基于能量均衡的ZigBee路由协议的研究
• 6.4.1 能量有效路由概述
• 6.4.2 均衡的EEZ-AODV路由算法
• 6.4.3 基于NS2的EEZ-AODV仿真
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 工作的创新点
• 7.2 展望
• 附录
• 附录1 Grain-Node节点硬件设计原理图和PCB图
• 附录2 Server-Node节点的硬件设计原理图和PCB图
• 附录3 温湿度可控的环控舱及实验小粮仓实物图
• Node节点实测布点图'>附录4 Grain_Node节点实测布点图
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目
• 致谢