WSN的节水灌溉土壤参数监测系统设计
无线传感器网络是一种以数据为中心，面向特定应用的特殊计算机网络。由于这种网络易于组建，而且成本低，能耗小，适合用于低速率、近距离的无线数据传输，在医疗卫生、环境监测和军事等领域得到了飞速发展。
针对南通市水利地理信息系统关键技术与应用，本文介绍了一种节水灌溉土壤参数监测系统设计方案。该系统基于无线传感器网络，主要实现根据农作物的生长情况和土壤的温湿度状况自动控制实施灌溉作业，有效节约利用水资源。系统使用短距离无线通信标准ZigBee作为通信协议，构建无线通信网络，以支持各传感器节点间的无线数据通信，完成传感器所采集数据的转发、提交和处理。
系统使用PIC18F4520单片机和CC2530为主要部件搭建硬件平台。文中介绍了在该硬件平台上实现ZigBee无线网络，并利用该网络完成数据采集和收发的方法。详细介绍了ZigBee协议栈的软件设计方法，对协议每一层的实现机制进行了具体分析。最后使用节点实物进行了测试，完成了网络构建和数据传输。 HM000058
关键词：无线传感网络 ；ZigBee；CC2530；节水灌溉；土壤参数监测
1.1 物联网体系架构
物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的信息产业新方向，其价值在于物体也拥有了“智慧”，从而实现人与物，物与物之间的沟通。联网的特征在于感知、互联和智能的叠加。因此，物联网由三个部分组成：感知部分，即以二维码、RFID、传感器为主，实现对“物”的识别；传输网络，即通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现数据的传输；智能处理，即利用云计算、数据挖掘、中间件等技术实现对物品的自动控制与智能管理等。物联网体系架构图如图1.1-1所示。
图1.1-1 物联网体系架构
感知层处于三层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。作为物联网的最基本一层，感知层具有十分重要的作用。 感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分，即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，通过蓝牙、红外、ZigBee、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术进行协同工作或者传递数据到网关设备。
网络层是建立在 Internet 和移动通信网等现有网络基础上，除具有目前已经比较成熟的如远距离有线、无线通信技术和网络技术外，为实现“物物相连”的需求，物联网网络层将综合使用IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。
应用层是物联网发展的驱动力和目的。应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。这一层解决的是信息处理和人机界面的问题。
3.2.2 水分传感器技术参数 查看完整请+Q:351916072获取
测量参数：土壤容积含水率
量 程：0～100% .单 位：%(m3/m3)
输出信号：0～2V（电压型）4～20mA（电流型）
测量精度：0～50%（m3/m3）范围内 为 ±3%（m3/m3）50～100%（m3/m3）范围内 为 ±5%（m3/m3）
互换精度：<3%
复测误差：<1%
测量原理：频域反射原理（FDR）
工作电流：约15mA
工作频率：100MHZ
响应时间：＜1秒
测量稳定时间：1秒
工作温度范围：-20℃～50℃
测量区域：95%的影响在以中央探针为中心，直径为7cm、高为7cm的圆柱体内
探针长度：5.3cm
探针直径：3mm
探针材料：不锈钢(抗电解)
密封材料：环氧树脂(黑色阻燃)
电缆长度：标配2米（国标三芯屏蔽线)
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 物联网体系架构 1
1.2 无线传感器网络概述 2
1.3 传感器网络的发展 2
1.4 传感器网络应用于节水灌溉 3
1.5 IEEE802.15.4协议 4
1.5.1 IEEE802.15.4概述 4
1.5.2 IEEE802.15.4特点 5
1.6 ZigBee应用于无线传感器网络 6
1.6.1 ZigBee协议概述 6
1.6.2 ZigBee协议架构 7
1.6.3 ZigBee协议特点 7
1.7 课题来源 8
1.8 本论文结构安排 9
第二章 总体方案设计 10
2.1 本课题的研究内容 10
2.2 传感器网络结构 10
2.3 节点结构 11
2.4 系统总体架构 12
第三章 节水灌溉系统硬件设计 15
3.1 总体硬件系统设计 15
3.2 传感器模块 15
3.2.1 ARN-100水分传感器概述 15
3.2.2 水分传感器技术参数 16
3.2.3 水分传感器功能特点 17
3.2.4 水分传感器输出信号及土壤湿度对应公式 17
3.2.5 土壤温度传感器 18
3.3 微处理器模块 19
3.3.1 PIC18F4520-I/P概述 19
3.3.2 微处理器模块电路设计 21
3.4 WSN通信模块 22
3.4.1 CC2530概述 22
3.4.2 CC2530对于ZigBee的节点作用 23
3.5 3G路由模块 26
3.5.1 ADR-R5341 26
3.5.2 3G网络概述 26
3.5.3 3G路由器应用 27
3.6 电源模块 28
第四章 节水灌溉系统软件设计 30
4.1 软件系统组成 30
4.2 数据采集 30
4.3 ZigBee协议栈 35
4.3.1 物理层PHY 35
4.3.2 媒体接入控制层MAC 37
4.3.3 网络层NWK 41
4.3.4 应用支持子层APS 44
第五章 系统总体调试 48
5.1 硬件测试 48
5.2 软件调试 50
5.2.1 无线建网点对点通信测试 50
5.2.2 总体测试结果 51
第六章 总结与展望 53
参考文献 54查看完整请+Q:351916072获取
致 谢 56
附件 I：水分传感器输出信号与单位体积含水量对照表 57
附件II：输出信号与土壤温度对照表 60
针对南通市水利地理信息系统关键技术与应用，本文介绍了一种节水灌溉土壤参数监测系统设计方案。该系统基于无线传感器网络，主要实现根据农作物的生长情况和土壤的温湿度状况自动控制实施灌溉作业，有效节约利用水资源。系统使用短距离无线通信标准ZigBee作为通信协议，构建无线通信网络，以支持各传感器节点间的无线数据通信，完成传感器所采集数据的转发、提交和处理。
系统使用PIC18F4520单片机和CC2530为主要部件搭建硬件平台。文中介绍了在该硬件平台上实现ZigBee无线网络，并利用该网络完成数据采集和收发的方法。详细介绍了ZigBee协议栈的软件设计方法，对协议每一层的实现机制进行了具体分析。最后使用节点实物进行了测试，完成了网络构建和数据传输。 HM000058
关键词：无线传感网络 ；ZigBee；CC2530；节水灌溉；土壤参数监测
1.1 物联网体系架构
物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的信息产业新方向，其价值在于物体也拥有了“智慧”，从而实现人与物，物与物之间的沟通。联网的特征在于感知、互联和智能的叠加。因此，物联网由三个部分组成：感知部分，即以二维码、RFID、传感器为主，实现对“物”的识别；传输网络，即通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现数据的传输；智能处理，即利用云计算、数据挖掘、中间件等技术实现对物品的自动控制与智能管理等。物联网体系架构图如图1.1-1所示。
图1.1-1 物联网体系架构
感知层处于三层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。作为物联网的最基本一层，感知层具有十分重要的作用。 感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分，即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，通过蓝牙、红外、ZigBee、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术进行协同工作或者传递数据到网关设备。
网络层是建立在 Internet 和移动通信网等现有网络基础上，除具有目前已经比较成熟的如远距离有线、无线通信技术和网络技术外，为实现“物物相连”的需求，物联网网络层将综合使用IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。
应用层是物联网发展的驱动力和目的。应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。这一层解决的是信息处理和人机界面的问题。
3.2.2 水分传感器技术参数 查看完整请+Q:351916072获取
测量参数：土壤容积含水率
量 程：0～100% .单 位：%(m3/m3)
输出信号：0～2V（电压型）4～20mA（电流型）
测量精度：0～50%（m3/m3）范围内 为 ±3%（m3/m3）50～100%（m3/m3）范围内 为 ±5%（m3/m3）
互换精度：<3%
复测误差：<1%
测量原理：频域反射原理（FDR）
工作电流：约15mA
工作频率：100MHZ
响应时间：＜1秒
测量稳定时间：1秒
工作温度范围：-20℃～50℃
测量区域：95%的影响在以中央探针为中心，直径为7cm、高为7cm的圆柱体内
探针长度：5.3cm
探针直径：3mm
探针材料：不锈钢(抗电解)
密封材料：环氧树脂(黑色阻燃)
电缆长度：标配2米（国标三芯屏蔽线)
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 物联网体系架构 1
1.2 无线传感器网络概述 2
1.3 传感器网络的发展 2
1.4 传感器网络应用于节水灌溉 3
1.5 IEEE802.15.4协议 4
1.5.1 IEEE802.15.4概述 4
1.5.2 IEEE802.15.4特点 5
1.6 ZigBee应用于无线传感器网络 6
1.6.1 ZigBee协议概述 6
1.6.2 ZigBee协议架构 7
1.6.3 ZigBee协议特点 7
1.7 课题来源 8
1.8 本论文结构安排 9
第二章 总体方案设计 10
2.1 本课题的研究内容 10
2.2 传感器网络结构 10
2.3 节点结构 11
2.4 系统总体架构 12
第三章 节水灌溉系统硬件设计 15
3.1 总体硬件系统设计 15
3.2 传感器模块 15
3.2.1 ARN-100水分传感器概述 15
3.2.2 水分传感器技术参数 16
3.2.3 水分传感器功能特点 17
3.2.4 水分传感器输出信号及土壤湿度对应公式 17
3.2.5 土壤温度传感器 18
3.3 微处理器模块 19
3.3.1 PIC18F4520-I/P概述 19
3.3.2 微处理器模块电路设计 21
3.4 WSN通信模块 22
3.4.1 CC2530概述 22
3.4.2 CC2530对于ZigBee的节点作用 23
3.5 3G路由模块 26
3.5.1 ADR-R5341 26
3.5.2 3G网络概述 26
3.5.3 3G路由器应用 27
3.6 电源模块 28
第四章 节水灌溉系统软件设计 30
4.1 软件系统组成 30
4.2 数据采集 30
4.3 ZigBee协议栈 35
4.3.1 物理层PHY 35
4.3.2 媒体接入控制层MAC 37
4.3.3 网络层NWK 41
4.3.4 应用支持子层APS 44
第五章 系统总体调试 48
5.1 硬件测试 48
5.2 软件调试 50
5.2.1 无线建网点对点通信测试 50
5.2.2 总体测试结果 51
第六章 总结与展望 53
参考文献 54查看完整请+Q:351916072获取
致 谢 56
附件 I：水分传感器输出信号与单位体积含水量对照表 57
附件II：输出信号与土壤温度对照表 60
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