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基于无线传感网络的蔬菜大棚监控系统_毕业设计_开题报告.doc

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.10M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    淮 阴 工 学 院 毕业设计(论文)开题报告 学 生 姓 名： 顾美娜 学 号： 1111307131 专 业： 计算机科学与技术（物联网工程） 设计(论文)题目： 基于无线传感网络的蔬菜大棚 监控系统设计与实现 指 导 教 师: 邵鹤帅 2015 年 3 月 9 日
    毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述 文 献 综 述 一、课题研究背景 随着我国经济的飞速发展，人们对生活质量的追求越来越高。民以食为天，原本蔬 菜在冬季的供应量并不能满足人们的需求。随着科学技术的不断进步，温室大棚种植技 术，突破了传统农作物种植受自然环境、气候、地域等诸多因素的限制，对农业生产具 有重大意义。温湿度的精确实时监测是保证作物在蔬菜大棚最佳温室环境下，生长发育 良好、质量优、产量高、耗能低、成本低的关键环节。 根据 2008 年国家统计局综合局发布的第二次全国农业普查主要数据公报(第二号) 内容显示[1]，我国大棚面积 465 千公顷，中小棚面积也达到大棚面积的一半，其中温室 面积 81 千公顷。在温室和大棚中大多种植经济效益更高的蔬菜，达到惊人的 723 千公 顷。我国蔬菜大棚的总体规模虽然不断扩大，但温湿度监测手段多为人工测量和有线传 输。这些测量方法设备陈旧、人力成本大、测量精度低、扩展困难、可靠性和抗干扰性 低。传统的温室监测系统主要由传感器节点、有线通信线路、中央控制器等构成，整个 系统需要铺设大量线缆和电源，为用户的使用维护带来许多麻烦。无线传感网络的兴起 为现代农业的信息化和现代化提供了新思路和广阔的应用前景。 无线传感网络(Wireless Sensor Network, WSN)是一种全新的信息获取平台[2]，结合 了微电子、嵌入式计算机技术、无线通信等先进技术，能够协同监测、感知和采集网络 覆盖区域中各种环境或检测对象的实时信息，并将处理过的信息以无线方式进行数据传 输，具有大规模、无线、自组织、多跳、无中心、抗毁性强等特征。借助该技术，能够 实时提供用户地面信息（空气温湿度、光照度、二氧化碳浓度）、土壤信息（土壤温湿 度、墒情）、营养信息（酸碱度、离子浓度）、有害物监测与报警（动植物病虫害信息） 等，这些信息为用户准确发现问题、及早调整相关种植策略，保证农作物在最佳环境下 生长，逐渐实现农业从以经验为中心逐渐转为以信息为中心的生产模式，及早实现现代 农业的科学化、商品化、集约化和产业化。
    毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 二、国内外研究与发展现状 纵观科学技术的发展史，应用需求永远是推动技术不断进步发展的强大动力和不竭 源泉。传感器网络可以为人类延伸“耳、鼻、眼、舌”等感知能力，是扩大人类感知能 力的一场革命。由于传感器网络在军事、现代交通和现代农业等领域具有及其重大的应 用价值，使其成为近几年来国内外研究和应用的热门领域[3]。 2005 年，芬兰 Lofar Agro 项目中一个用于监测马铃薯田地里的疫霉属的 WSN，包 含 150 个集成了温度和湿度传感器的无线传感器节点。通过观察田里空气湿度、温度条 件和马铃薯叶的湿度级别，研究人员探寻该疾病爆发的潜在危险和杀菌剂发挥药效的条 件；2006 年，澳大利亚 CSIRO 研究中心实现了基于无线传感网络的智能农场[4]，通过 感知各节点的土壤湿度等环境信息，分析获得的土壤湿度变化曲线，以获得最有效的灌 溉方法；2007 年，美国加州 Grape Networks 配置了“全球最大的无线传感器网络”，通 过记录和分析常年的环境信息，便可掌握葡萄生长环境与葡萄酒品质的准确关系。 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”将无线传感器网 络示范应用于温室蔬菜集约化生产中。采用不同的传感器节点构成无线网络来测量温室 的各种环境参数信息等，构建蔬菜生产网络平台。宁波中科无线通信事业部即深联科技 公司在传感器网络软硬件开发推广方面已经取得较大的进展，形成具有自主产权的产 品，在慈溪市蔬菜大棚项目中构建了基于传感器节点的无线采集系统[5]。 罗海勇等在温室大棚架设可自组网传输无线传感器网络[6]，具有温室信息自动部署、 自组织传输的功能，结合智能控制系统和专家分析系统实现了温室环境的精细化控制； 李春林以 MSP430 和 CC1101 芯片为核心，构建了温湿度无线传感网络采集系统；司敏 山等设计基于太阳能的温室无线传感器网络监测系统，该监管中心具有温室环境参数信 息采集和图像监控等功能，无人值守即可了解温室当前环境，节省了人力物力。 三、发展趋势 根据无线传感器网络的研究现状，其发展趋势主要有以下几个方面： (1)可扩展、易维护的网络协议体系 无线传感器网络在军事、环境、交通等领域有广阔的应用前景。在军事应用中需要
    毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 实时性强、保密性好的无线传感器网络；在环境监测中需要节能、抗毁性高的无线传感 器网络；在智能交通中还需与射频识别技术结合使用。当前各种协议都是基于特定的应 用而提出的，无疑给无线传感器网络的通用化设计及应用带来极大的困难。低能耗、可 动态配置和易于维护管理、能适应不同应用需求的无线传感器网络协议，将大幅提高网 络寿命及可用性。 (2)协议跨层优化 传统的协议分层结构使得信息只能在相邻两层间交互，虽然有着层次性好、易于修 改及重用的优点，但效率低。然而在无线传感器网络系统中，提高效率却是当务之急。 因此，跨层优化这一概念应运而生，即不同层间也能共享信息并允许跨层操作，减少信 息由于存储、转发等增加的时间和能耗，如 RF 唤醒机制、时间同步、节点定位等实例。 虽然跨层优化能极大地提高系列效率，但这种方法影响力系统的层次化与模块化，增加 了系统的复杂度。 (3)相应标准的制定 目前常用的无线网络标准主要有 IEEE 所制定的 802.11 标准（主要包括 802.11a、 802.11b 及 802.11g 等）、802.15.4 标准（包括 2.4GHz 频段和 868/915MHz 频段物理层）、 蓝牙标准和 HomeRF 标准等。IEEE 802.11 是第一个无线局域网标准，主要用于办公室 局域网和校园网进行数据访问；IEEE 802.15.4 是低速无线个人区域网(WPAN)标准，主 要是物理层和 MAC 层标准。如何利用这些标准，使无线传感器网络能像 TCP/IP 协议 一样为人们提供便利，对于无线传感器网络的应用及市场有着极其重要的作用。只有统 一的标准，才能实现来自不同厂家的传感器之间也能顺利组网的，提高市场的生产规模 及竞争性，从而提高利润率[7]。 四、关于“基于无线传感器网络的蔬菜大棚监控系统设计与实现”课题的 启发 监测系统的目的是对蔬菜大棚的温湿度进行实时采集，并通过无线传感器网络将采 集到的数据传送到管理平台。系统设计的原则应符合以下几点要求[8]： (1) 低成本、低功耗：蔬菜大棚内节点布置众多，只有低成本才能更好地减少成本， 创造更大的经济效益。只有低功耗才能保证网络的生命周期尽量长，减少工人频繁更换
    毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 电源的麻烦； (2)精确度高：温湿度传感器必须保证采集数据的精度并测量准确，同时兼顾低成本 的要求； (3)实时检测：采集的数据能及时准确地传送给管理平台，确保工人能实时查询蔬菜 大棚内作物的生长环境； (4)微型化：在确保系统功能不受影响的前提下，传感器节点的体积尽可能地小； (5)接口灵活：除了采集温湿度信息，还应留有可扩展的接口，以便采集其他环境信 息，如光照度、二氧化碳浓度、pH 值等。 根据以上设计要求，本文根据蔬菜大棚的特点，对无线传感器监测节点、汇聚节点 和上位机进行了简略的设计。系统采用单总线 DHT11 传感器感知蔬菜大棚的温湿度， 并采用性价比较高的 STC89C52 芯片作为微控制器核心及无线射频芯片 CC1101 作为无 线传输的关键单元，并根据应用需求选用 OLED 显示屏方便工人能在汇聚节点查看温湿 度参数信息。本文给出了系统的硬件选型和整体设计方案，并介绍了传感器节点与汇聚 节点间的通信流程，最后介绍了上位机管理界面功能设计以实现对数据的统一管理和分 析。
    毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 参 考 文 献 [1] 唐林林. 蔬菜大棚的智能监控系统的设计与实现[D]. 山东大学,2010. [2] 王 汝 传 , 孙 力 娟 . 无 线 传 感 器 网 络 技 术 及 应 用 [M]. 北 京 : 人 民 邮 电 出 版 社,2011.4:342-343. [3] 崔逊学,左从菊. 无线传感器网络简明教程[M]. 北京:清华大学出版社,2009.7:24. (德)Waltenegus Dargie,(美)Christian Poellabauer,孙利民,张远等译. 无线传感器 [4] 网络基础：理论和实践[M]. 北京:清华大学出版社,2014:37. [5] 崔逊学,赵湛,王成. 无线传感器网络的领域应用与设计技术[M]. 北京:国防工业 出版社,2009.5:225,221. [6] 李道亮. 农业物联网导论[M]. 北京:科学出版社,2012.10:158. [7] 于海斌,梁炜,曾鹏. 智能无线传感器网络系统[M]. 北京:科学出版社,2013,21-23. [8] 牛永超. 基于无线传感器网络的温室温湿度监测平台设计[D]. 西北农林科技大 [9] 李春林. 无线传感器网络温湿度采集系统[D]. 西安电子科技大学,2014. [10] 张滢. 无线传感器网络在蔬菜大棚环境监测中的应用研究[D]. 沈阳理工大 [11] 鲁小龙. 基于 CC1101 的智能温室大棚监控系统的设计[D]. 东华大学,2013. [12] 鲁进军. 基于无线传感器网的蔬菜大棚监测系统设计与实现[D]. 武汉理工大 学,2009. 学,2010. 学,2009. [13] 李栋. 基于无线传感器网络的温室监测系统的设计与研究[D]. 江南大学,2008. [14] 彭 力 . 无 线 传 感 器 网 络 原 理 与 应 用 [M]. 西 安 : 西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 [15] 牛 永 超 , 马 孝 义 . 基 于 CC1100 的 温 室 温 湿 度 监 测 系 统 [J]. 农 机 化 研 [16] 余 华 芳, 吴 志 东, 林 智 涛. 蔬 菜 温 室 大 棚 温 湿 度 控 制 系 统[J]. 安 徽 农 业 科 [17] 李士军,温竹,宫鹤,王艳梅. 无线传感器网络在农业中的应用进展[J]. 浙江农业 社,2014.1:8. 究,2009(08):90-92. 学,2011(28):17601-17603. 学报,2014(06):1715-1720. [18] 倪天龙. 单总线传感器 DHT11 在温湿度测控中的应用[J]. 单片机与嵌入式系 统应用,2010(06):60-62. [19] 邓美琛. 无线传感器网络在设施农业中的应用研究[D]. 东华大学,2014. [20] 张伟. 面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究[D]. 浙江大学,2013.
    毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 2．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 一、本课题要研究解决的问题 1. 总体设计 在众多环境参数中，土壤温湿度参数变化对作物生长的影响最大；传统的数据有线 传输方式不仅布线复杂，而且不利于后期维护和扩展。结合以上蔬菜大棚的环境特点和 应用需求，需要选择合适的传感器进行温湿度信息采集，并且根据数据采集要求和数据 传输方式，进行系统总体软硬件方案的设计。 2. 系统硬件设计 系统硬件设计主要包括单片机最小系统、传感器节点、无线模块、电源电路等的设 计。 3. 系统软件设计 系统软件设计主要由三大部分组成。第一部分是传感器节点与汇聚节点间通信方式 的设计；第二部分是汇聚节点通过串口与上位机通信的接口设计；第三部分是上位机监 测管理界面的设计。 4. 系统测试与分析 完成系统软硬件设计后，需要对整个系统进行验证。首先需要进行传感器节点与汇 聚节点间数据收发的测试，以确保无线通信的可靠性。完成点对点通信测试后，将主机 与上位机通过串口相连进行数据传输。上位机则通过监测管理系统界面对蔬菜大棚的温 湿度信息进行实时显示与查询。 二、拟采用的设计方案 根据应用背景和设计要求提出以下设计方案，对系统按照模块化的思想进行划分， 并且按照各个模块对其结构和功能进行简单的介绍和说明，为后续设计打下基础。 1. 系统总体设计 本系统采用三级拓扑结构，分别为传感器节点、汇聚节点和上位机管理节点。结合 传感器技术、射频技术、计算机技术等，通过无线传感器网络实现实时蔬菜大棚的温湿 度信息采集。传感器节点实时采集当前区域内的温湿度信息，微控制器获取后用无线模
    毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 块将其传输给汇聚节点；汇聚节点接收到各节点的数据后在显示屏上显示各传感器的数 据，并通过串口发送给上位机；上位机接收并保存数据，并通过人机交互界面实时显示 当前温湿度信息。工人通过汇聚节点的显示屏或上位机监控界面了解当前环境参数后， 对蔬菜大棚进行相应调节，以使作物达到适宜的生长环境。系统总体结构如图 1 所示。 上位机 串口 传感器节点 汇聚节点 图 1 系统总体结构 2. 传感器节点 传感器节点硬件结构框架图如图 2 所示，包括传感器、处理器、无线通信模块和电 源模块。 温湿度传感器 DHT11 MCU STC89C52 无线收发模块 CC1101 电源模块 图 2 传感器节点硬件结构框图 考虑到系统成本及复杂性不宜过高，所以用于采集温度和湿度的传感器选用了集温 湿度感应单元于一体的集成式传感器 DHT11；由于单片机作为已成熟商用的微控制器， 不仅成本低，而且稳定性好，完全能作为控制单元实现数据处理及无线数据收发的功能。 3. 汇聚节点 汇聚节点在整个无线传感器网络有着至关重要的作用，它一方面接收来自传感器节 点采集的数据信息、将各个节点的数据进行汇总，另一方面负责对接收到的数据进行校 验并将符合协议的数据通过串口传到上位机供管理者查看。为方便管理人员查看当前各 个节点的实时信息，还增加了数据显示模块。汇聚节点硬件结构框图如图 3 所示。
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