1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 基于无线传感器网络的温度采集与管理系统设计 1 选题的背景、意义 目前 ,无线传感器网络技术的迅猛发展 , 促进了无线网络的发展 , 而基于若干传感器组建的无线网络在工业、农业等领域中也逐渐成为研究的热点方向。 在无线传感器网络被研究之前 , 有一些领域使用了有线形式的传感器网络。在农业方面 , 如对于农田环境的监测 , 使用过有线传感器网络 , 但是由于有线传感器网络对于布线的要求、传输距离的问题 , 以及设备安全性等问题 , 都成为了其发展的瓶颈问题。无线传感器网络是由大量的密集部署在监控 区域的智能传感器节点采用自组网形式构成的一种网络应用系统。传感器节
2、点的位置不能预先确定 , 在任意时刻 , 节点间通过无线通道连接 , 采用多跳、对等通信方式。传感器节点具有很强的协同能力 , 通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局任务。无线传感器网络是一个多学科交叉的综合性科学研究领域，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，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，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。正是因为这 种广泛的用途，使得无线传感器网络在众多领域如农业、军事、森林保护等方面有着实际的用途和研究价值 1。 比如说无线传感器网络在设施农业中的应用 .
3、设施农业是近年来随着农业环境工程技术的突破 ,迅速发展起来的一种集约化程度很高的农业生产技术。由于设施农业是在人为可控环境保护设施下的农业生产 ,摆脱了传统农业生产条件下自然气候、季节的制约 ,以超时令、反季节生产的设施园艺作物为主 ,不仅使单位面积产量及畜禽个体生产量大幅度增长 ,而且保证了农牧业产品 ,尤其是蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供应。设施农业目前已由简易塑料大棚 、温室发展到具有人工环境控制设施的自动化、机械化程度极高的现代化大型温室和植物工厂。设施农业在具有高附加值、高效益、高科技含量的设施园艺领域发展迅速 ,其栽培对象主要为蔬菜、花卉和果树。近年来 ,设施畜牧业、设施水产养
4、殖也在逐渐兴起 3。 国外对温室环境控制技术研究较早 ,始于 20世纪 70年代。先是采用模拟式的组合仪表 ,采集现场信息并进行指示、记录和控制。 20世纪 80年代末出现了分布式控制系统 ,现阶段开发和研究集中于计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统、多数据融合技术等 1 - 2 。目前 ,世界各国 的温室控制技术发展很快 ,一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展 4。 2 相关研究的最新成果及动态 2.1 在温室作物环境信息监测方面的应用 2002 年由美国因特尔公司在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园 , 将传感器节点分布在葡萄园中 , 实时监控园中的土壤温度、湿
5、度以及有害物的数量等因素 , 实现对葡萄园的无线控制。而近几年 , 将无线传感器网络应用于温室中得到的研究成果比较突出 , 由于温室是一个相对稳定的环境 , 所以将无线传感器网络运用于其中比较的容易。目前 , 国内柳桂国、应义斌 ( 2002) 的嵌入蓝牙芯片的温室环境检测与控制系统 , 杜辉等人 ( 2005) 的基于蓝牙技术的分布式温室监控系统 , 都是一些较成功的案例。 2.2 在农田作物环境信息监测方面的应用 无线传感器网络能够在温室中得到成功的运用是基于温室中相对稳定的环境因素 , 温室可以看成是相对稳定的农田环境 , 即便是这样 , 还是给在农田环境中的作物信息监测的应用奠定了一个
6、很好的基础。农田环境是直接受到自然因素影响的 , 尤其是温度、湿度、降雨量和光照等 , 而各种农作物对于农田环境的要求还不同 , 所以 , 要求运用于农田中的无线传感器 网络要能够有很好的监测效果。首先 , 所要求的节点数量多 ,因为农田尤其是大农田 , 面积广 , 要想能够很好的监测 , 散落的节点必须分散且数量多 , 其次就是要求数据传输的流畅和准确性 , 这就要求各个节点之间要有一个很适合的传输协议 , 既能保证传输数据的实效性、准确性又要保证节点的功耗要低 , 因为节点的功耗低 , 使用的时间也就长。数量众多还必须保证节点的成本低。如节水灌溉就是一个很好的实例。灌溉是农田中的一个重要的
7、方面。具有简单功能的节点 , 采用电池供电通过相关的电源处理可以控制不同中小功率的直流电磁阀门 ( 如电动 水动电磁阀、减压阀、调压阀、安全阀以及流量控制阀等 ) , 分布在农田中的节点具有对土壤温度、湿度等方面的数据的监测作用 , 通过这些数据的收集 , 结合网关以及后台监测主机 , 通过 GPS 或 Internet 来精确控制农田中的灌溉。可以看到 , 在柳桂国、应义斌 ( 2002) 的嵌入蓝牙芯片的温室环境检测与控制系统和杜辉等人 ( 2005) 的基于蓝牙技术的分布式温室监控系统中 , 由于是应用于温室这个环境中 , 所以可以采取蓝牙技术 , 但应用于农田环境中 , 显然蓝牙技术就
8、不适合了 , 这时候 ZigBee 技术就是替代蓝牙 技术的最佳方案之一。近几年 , 由于注意到 ZigBee 技术相对于蓝牙有着功耗低、数据抗干扰性强、所构成网络系统健壮、传输距离长等优点 , 它在工业、农业、军事等方面的应用也越来越广。中国科技大学陈祥、薛美胜等人 , 就温室环境建立一个基于 ZigBee 协议的无线传感网络的监测系统 , 取得了不错的成果。可以看到 , 将 ZigBee 技术运用于农田环境也是现实可行的5。 2.3 在其他非农业方面的应用。 加州大学在南加利福尼亚 San Jacinito 山建立了可扩展的无线传感器网络系统，主要监测局部环境条件下小气 候和植物甚至动物的
9、生态模式。此外，还可以利用无线传感器网络系统监测牧场中牛的活动，以防止 2 头牛互相争斗。为了在印度西部多山区域监测泥石流，部署了无线传感器网络系统，用于实时监测山体状况，以实现在灾难发生前预测泥石流的发生 14。 在国内，无线传感技术在宁波北仑区政府应急指挥系统、嘉兴水运智能交通系统、上海六国峰会的元首保卫工作、上海浦东机场防入侵等系统中得到了应用，在电力、水利设施维护等领域也已得到了开发、运用。在上海浦东国际机场的围界上，部分墙面贴有火柴盒大小的传感器，它们各展所长，有的感受振动或声响 ，有的对磁力或微波敏感，不仅能准确感知来者为何物，还能通过相互间的无线通信，判断来者的方向、速度、远近等
10、，甚至能通过自动调用摄像头等手段，为人们提供直接的依据，从而确保了航空工作的安全。 2008 年 1 月 15 17 日，国家自然科学基金委员会信息科学部评估了由中国科学院合肥智能机械研究所负责的自然科学基金重点项目 “月球探测系统的建模、传感、导航和控制基础理论及关键技术研究”。该项目围绕我国探月工程 2、 3 期目标，重点研究探月飞行器在环月轨道上的自主导航技术、软着陆技术、地月远程控制技术，以及月球 探测车在月面上的传感、导航、定位等技术。在月球探测车月面导航技术方面，提出了基于无线传感器网络的月球探测车传感、导航、定位方法，构建了导航试验系统，为月球探测车消除定位和导航的积累误差以及动
11、态构建月面环境地图与自主路标设置提供了新方法 9。 随着无线网络技术的不断完善和无线网络产品性价比的提高，建设无线传感器网络的费用会大大降低，并具有广泛的推广和应用价值，这将对实现中国农业和农村信息化具有巨大的推动作用。不远的将来，就可通过 GPRS 无线网络实时采集农田信息，进而推动现代农业向着自动化、智能化与网络化的 方向发展。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 由于无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点构成 , 其自组织性和高容错性使其不会因为某些节点在恶意攻击后而导致整个系统的崩溃 , 也可以应用于恶劣的环境中 , 这些优势使得无线传
12、感器网络在很多方面得到应用。但是整个无线传感器网络在农业方面的应用目前却还只是处于起步阶段 , 原因是多方面的 , 首先是整个无线控制技术在农业中的应用都是处于开始阶段 , 再者还是因为农业生产等方面的各种复杂的客观条件的限制 , 以及农业作物本身的很 多复杂的生理特性 , 使得无线传感器网络应用于农业中都不是很容易。目前的应用于农业方面的无线传感器网络的基本思想多半是在农田或者温室中散布节点 , 形成一个监控网络 , 然后各个节点实时地收集各种信息如土壤温湿度、光照强度等 , 发送给汇聚节点 , 再由汇聚节点将监测到的信息发送给监控主机 , 让农民及时了解农田或温室内的作物状态 , 在更高级
13、的网络系统中 , 农民不但能够从节点收集到信息 , 还能够通过监控主机调控节点或者其他设备来对农田或温室进行远程智能化控制 6。 无线传感器网络作为 21世纪信息领域新的研究热点 ,但其 并没有大范围的应用起来主要是它存在以下几个难点和关键技术需要研究和解决 : 1. 网络通信协议。由于传感器节点能源能量的限制 ,其计算、存储和通信能力都十分有限 ,每个节点只能获取到局部网络的信息 ,因而节点上所运行的网络通信协议不能太复杂 ;同时 ,无线传感器网络拓扑结构和外界环境的不断变化 ,也对网络通信协议的设计提出了更高的要求。 2. 核心支撑技术。无线传感器网络里的核心支撑技术使用网络通信协议提供的
14、服务 ,并通过应用服务接口来屏蔽底层网络的细节 ,使中孤单用户可以方便地对无线传感器网络网络进行操作。无线传感器网络依靠这些丰富的 核心支撑技术构成了一个具体的面向特定应用的网络系统。 3. 自组织管理。多变的网络状况及外在环境要求无线传感器网络具有自组织能力 ,能够自动组网运行、自行配置维护、适时转发监测数据。自组织管理技术使用网络通信协议提供的服务 ,通过网络管理接口来屏蔽底层网络的细节 ,使终端用户可以方便地管理配置无线传感器网络。 4. 开发与应用。作为一种源于应用而又服务于应用的现实可行的网络技术 ,无线传感器网络还要有一套完整的软硬件设计原则、高效的开发平台以及一系列别具特色的应用
15、实例 10。 将无线传感器网络应用于现代农业，可以 实现农业信息的实时采集、初步处理、传输等，有利于推动我国的农业信息化。可为无线传感器及无线传输技术的进一步研究和应用提供依据。 4 研究工作详细进度和安排 2011年 1月 10日前：完成文献综述、外文翻译与开题报告； 1月 11日 4月 30日：完成毕业设计任务书内容； 5月 1日 5月 15日：整理毕业论文资料，完成毕业论文的初稿； 5月 16日 5月 20日：毕业论文的修改和完善； 5月 21日 5月 25日：毕业论文答辩准备工作； 5月 26日 06月 5日：毕业论文答辩。 5参考文献 1 张兵，袁寿其，成立节水灌溉自动化技术 的发展
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