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1、 摘 要 摘摘 要要 无线传感器网络是涉及多学科、高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领 域，综合传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息 处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各 种环境或监测对象的信息，如光、温度、湿度、震动、或环绕它周围的磁场等， 这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。无线 传感器网络不需要固定的通信基础架构支持， 传感器网络的节点可以随机或者特 定地部署在目标监测环境中，节点间相互协同工作完成特定的任务。 本文设计一种应用于农业环境信息监测的无线传感器网络， 目的在于实现对 大面积的多点的温
2、湿度及光照强度的实时记录， 利用无线传输技术将温湿度传感 器、光强传感器采集的数据传输到控制中心电脑上进行数据存储和分析。监控软 件可以实时性显示区域内的温湿度和光照信息，并具有查询和存储功能。用户可 根据需要查询相应的信息。处于同一个网络的节点通过点名和轮询机制，实现网 络的建立与维护。 环境信息检测的无线传感器网络集传感、网络、控制和人机界面于一体，具 有体积小、功耗低、精度高、布设灵活、配置简单和完全自组织的特点。友好的 监控中心上位机界面可以实现网络状态、拓扑信息和温湿度、光照数值的实时显 示、变化趋势描绘及数据备份等多项功能。实验结果表明，该网络能够实现所需 信息的获取和传输功能。
3、关键词：关键词：无线传感器网络；农业环境信息监测；温湿度；光强 安徽大学硕士论文 一种应用于农业环境信息监测的无线传感器网络设计与实现 II ABSTRACT Wireless sensor network is hot area of research. It is involving in multiple subject and high cross. It integrates sensor technology, embedded computing technology, modern network and wireless communication technology, d
4、istributed information processing technology and so on. It can be used to monitor 、apperceive and collect multiple information of the objects through out integrated micro-sensors, such as illumination、temperature、humidity、shake、 magnetic and so on. This information is sent to the terminal by multi-h
5、op AD Hoc network. Wireless network is without the support of the basic communication frame. The nodes can dispose to the aimed area stochastically or specifically. The nodes cooperate with each other to fulfill specifically task. In this thesis, a wireless sensor network applying to the survey of a
6、griculture environment information is designed. It is used to monitor the temperature、humidity and illumination information in time. The information of the temperature、humidity and illumination collected by the corresponded sensors transmits to the control center computer. And the computer can store
7、 and analyze the information. The monitor center control software will display and store the environment information. And the user can use it to lookup information what he want to know. The nodes in the same network can use calling and inquiring method to establish and maintain the network. The wire
8、less sensor network of agriculture environment information survey integrates sensor、network、controlling and interface as a whole. It is lower power waste、high precision、disposition convenient、configure simply and AD Hoc. The friendly interface software can display the network statue、 topological inf
9、ormation and the value of temperature、humidity and illumination. And it can also portray the changing of the value and store the copy segment. It carries out that the network can realize the function of collection and transmitting the needed information. Key words: wireless sensor network; the surve
10、y of agriculture environment communication; temperature and humidity; illumination 目 录 III 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 III 第一章 绪论 1 1.1 研究背景和目的 1 1.2 无线传感器网络 1 1.3 农业信息化在国内外的发展现状 3 1.4 无线传感器网络技术应用于农业信息化简介 4 1.5 论文总体安排 5 第二章 应用于农业环境信息监测的无线传感器网络总体概述 6 2.1 网络结构 6 2.2 网络硬件系统组成 7 2.3 网络软件协议系统组成 8 2.4 网络功
11、能 8 第三章 应用于农业环境信息监测的无线传感器网络硬件设计 10 3.1 基站节点硬件设计 10 3.1.1 电源模块 11 3.1.2 接口模块 13 3.1.3 射频单元 15 3.1.4 控制单元 18 3.2.传感器节点硬件设计 . 21 第四章 应用于农业环境信息监测的无线传感器网络软件协议设计 25 4.1 通信流程设计 25 4.2 分层协议设计 31 4.2.1 物理层协议设计 31 4.2.2 MAC层协议设计 . 33 4.3 程序流程设计 34 安徽大学硕士论文 一种应用于农业环境信息监测的无线传感器网络设计与实现 IV 4.4 监控中心软件 35 第五章 应用于农业
12、环境信息监测的无线传感器网络的仿真与实现 37 5.1 网络仿真的基本设置 37 5.1.1 无线通信数据包格式 38 5.1.2 内部通信数据包格式 39 5.2 传感器节点仿真 39 5.2.1 基于能量有效的MAC层算法 41 5.2.2 基于多权值的分簇路由算法 44 5.3 仿真结果分析 49 5.4 室外网络整体测试 59 第六章 总结与展望 61 致谢 62 参考文献 63 攻读学位期间发表的学术论文目录 66 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景和目的研究背景和目的 许多对温湿度光照要求高的领域，都需要对环境的温度、湿度、光照等信息 进行准确地连续监测、记
13、录和分析处理，比如保血库、保鲜库、干燥箱、冷藏柜、 冷藏储运、温室、孵房、实验室、计算机房、博物馆、档案馆、食品企业、GMP 医药企业、电子厂房、气象水文、造纸、环保、电力、烟草等。而且，往往需要 进行多点、大面积的监测。 在国内，最普遍的监测手段是人工记录单点或多点的温湿度变化，这种方式 存在效率低、易出错等问题。温湿度等环境信息的监测必将朝着由传感器、通信 网络、后台软件等组成的自动化系统的方向发展，而多点、大面积温湿度监测更 需要通过自动化的系统才能实现。 在国外相关领域，目前已经有一系列的标准诸如 HACCP、FDA21 CFR Part 11、QA，强行要求相关的地方安装自动化的温湿
14、度监测系统。在自动化的温湿 度监测系统中，除了有线的系统之外，无线温湿度传感器网络系统凭借灵活方便 的布设方式、较低的成本等优点成为一类重要的自动化温湿度监测系统。 本设计的目的在于将无线传感器网络应用于农业生态环境， 实现对大面积的 多点的温度、湿度以及光强连网监测记录，利用无线传输技术将温湿度传感器、 光强传感器采集的数据传输到监控中心电脑上进行数据存储和分析。 1.2 无线传感器网络无线传感器网络 无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高 度集成的前沿热点研究领域，综合传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无 线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化
15、的微型传感器协作地 实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，如光、温度、湿度、震动、 或环绕它周围的磁场等，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方 式传送到用户终端。无线传感器网络不需要固定的通信基础架构支持，传感器网 络的节点可以随机或者特定地部署在目标监测环境中， 节点间相互协同工作完成 安徽大学硕士论文 一种应用于农业环境信息监测的无线传感器网络设计与实现 2 特定的任务。 无线传感网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、 生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域 都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重
16、视，被认为 是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。 无线传感网络的研究起始于20世纪90年代末期，是新一代的传感器网络。由 于无线传感网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业 界和学术界的极大关注。从2000年起，国际上开始出现一些有关无线传感网络的 研究报道，美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传 感器网络列为第一项未来新兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，无 线传感器网络列入其中。 美国自然科学基金委员会2003年制定了传感网络研究计 划， 支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门也开展了一系列军事无 线传感网络方面的研究工作。 无线传感网络是无线网络和数据网络的结合。与以往的计算机网络相比，它 更多的是以通信为中心，其主要特点是： (1) 基于应用的网络 在各种传感技术、计算处理技术及通信技术的结合下，无线传感网络可以应 用于各种领域。与传统网络“以一适全”模式不同的是，针对不同的应用，无线传 感网络需要调整自身的配置， 如根据不同的应用使用不同的数据融合、 节
