低成本低功耗的温室测控系统无线通信技术

论文摘要

目前,温室环境测控系统通信方式普遍采用的是基于485总线或CAN总线的有线通信方式。而有线通信方式存在线缆错综复杂,安装维护难度大,成本高等缺点。利用无线传感器网络实现数据传输是解决温室环境测控系统通信问题的有效方法。因此,实现温室等设施农业低成本低功耗的无线传感网络测控系统是设施农业急需解决的前沿课题。针对当前温室测控系统信息传输技术存在的问题,根据温室环境具体结构特征提出变结构自组织无线传感网络体系物理结构和逻辑结构,并确定了系统通信频率、汇聚节点覆盖半径及传感器节点睡眠时间等组网关键技术参数,构建动态星型的温室测控系统无线传感器网络框架。综合分析现有的无线传感器网络硬件节点设计情况,根据温室测控系统特点进行低成本低功耗的硬件选择,完成主要包括无线通信模块、节点位置模块、显示模块和RS-232串口通信模块的硬件电路设计。利用高性能频谱分析仪GSP-830调试2.4G高频无线通信模块,确定了其匹配网络电路的相关参数,能够保证无线通信模块在各工作频段达到相应的频谱要求,实现无线节点的多频段可靠通信。由于低成本的无线通信模块物理层以及MAC层协议简单,自身并不具备复杂网络的通信能力,借鉴IEEE802.15.4协议,结合选定的动态星型无线传感器网络框架特点,在该通信模块固有帧结构的基础上进行帧扩展设计,扩充完善网络通信协议,研究了传感器节点、控制节点和汇聚节点的通信算法,解决移动汇聚节点在移动过程中与覆盖范围内传感节点、控制节点的连接问题,动态形成自组织星型网络。研究结果表明,通过汇聚节点的移动来动态组成二级子网的动态星型无线传感器网络通信方法,随着汇聚节点的移动以及一级子网内二级子网数量的增加,有效缩短了点对点之间的通信距离,网内传感器节点通信能耗急剧变小,并且当导轨长度增加时,系统内通信能耗增速较慢,具有很好的节能效果,延长了网络更换电池的周期。最后论文在总结全文工作的基础上,对进一步研究提出了建议和展望。本文研究内容得到了国家“863”高技术研究发展计划的资助,项目编号2006AA10Z258。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外温室测控系统研究现状
• 1.1.1 温室测控系统国外研究现状
• 1.1.2 温室测控系统国内研究现状
• 1.2 现代通信技术及其在温室测控系统中的应用
• 1.2.1 现代通信技术
• 1.2.2 现代通信技术在温室测控系统中的应用
• 1.3 本课题的来源、研究目的和意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 课题研究目的和意义
• 1.4 本课题所做的主要工作及论文的组织结构
• 1.4.1 本课题所做的主要工作
• 1.4.2 论文的组织结构
• 第二章 系统总体方案设计
• 2.1 温室变结构自组织无线传感网络体系结构研究
• 2.1.1 无线传感器网络的典型特征
• 2.1.2 无线传感器网络的性能指标
• 2.1.3 温室测控系统网络体系逻辑结构
• 2.1.4 温室测控系统网络体系物理结构
• 2.2 组网关键技术
• 2.2.1 系统通信频率
• 2.2.2 汇聚节点发射半径的确定
• 2.2.3 传感器节点睡眠时间的确定
• 第三章 低成本低功耗的系统硬件设计与实现
• 3.1 无线传感网络节点硬件的设计要求
• 3.2 无线传感网络节点硬件的模块化设计
• 3.3 现有的无线传感网络节点
• 3.4 关键模块器件选择
• 3.4.1 数据处理模块的选择
• 3.4.2 无线通信模块的选择
• 3.5 节点硬件电路设计
• 3.5.1 单片机外围核心电路
• 3.5.2 无线通信模块电路设计
• 3.5.3 节点位置模块电路设计
• 3.5.4 显示模块电路设计
• 3.5.5 RS-232串口通信模块电路设计
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 系统通信协议设计
• 4.1.1 IEEE 802.15.4标准
• 4.1.2 nRF2401帧结构设计
• 4.2 主要模块软件设计
• 4.2.1 无线通信模块软件设计
• 4.2.2 RS-232串口通信模块软件设计
• 4.3 系统通信的软件实现
• 4.3.1 汇聚节点通信算法
• 4.3.2 传感器节点通信算法
• 4.3.3 控制节点通信算法
• 第五章 系统测试与实验研究
• 5.1 印制电路板制作
• 5.1.1 射频电路PCB设计
• 5.1.2 板级抗干扰措施
• 5.2 无线通信模块匹配电路调试
• 5.3 通信能耗分析
• 5.3.1 节点通信能耗分析
• 5.3.2 系统通信能耗分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文