无线传感器网络课程设计课设题目：温室大棚环境监控网络设计学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：设计时间：实验地点：摘要在现代化大型温室中，实现测控系统的无线化和网络化是目前该领域研究的重要课题之一。

为了解决温室测控系统中存在的有线布网、人工测量等问题，将无线传感器网络技术应用到温室温湿度测控系统中，实现现代化温室的网络信息化管理，对提升温室等设施农业生产水平具有重要意义。

温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上通过改变环境因子,如温度、湿度、光照度等来获得作物生长的最佳条件,达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

温室环境的监测是实现其生产自动化、高效化的关键环节。

传统的温室环境数据采集系统利用集散控制的思想 ,监控中心上位机进行集中管理和存储。

下位机(传感器节点)实现实时的采集和控制。

而上下位机通过有线通信的方式进行数据的传输和交换，在监控室与现场之间必然敷设大量电缆。

在温室中大量布线十分困难，后期的维护成本高、应用不灵活。

针对这一问题 ,该文设计了应用于温室环境参数检测的无线通信网络，该系统不需要任何固定网络的支持，提高了系统的稳定性以及系统的升级能力。

传统温室环境监测系统布局大多为有线通信方式,如现场总线、集散控制总线等,布线繁琐,不利于系统布局变动和维护。

用无线传感器网络构建监控系统,具有部署方便、成本低廉等优势,可以有效实现环境信息的采集和传输,及时调整管理策略,保证作物生长处于最佳状态,为温室环境参数检测提供一种新颖的、低成本的解决方案。

在控制器方面,基于工业控制机的温室监控系统成本较高,不易推广;基于单片机的温室监控系统虽然成本低,但是功能有限。

嵌入式系统的迅速发展,为温室监控系统的开发提供了新思路。

本系统结合嵌入式技术与无线传感器网络技术,实现温室作物生长环境的温度、空气相对湿度、土壤湿度、CO2 含量以及光照度等环境因子的实时数据获取,并对这些数据进行实时显示、存储、分析和处理,实现对温室内作物生长的各种环境参数的控制,达到现代化管理、精准化作业和获取更高效益的目的。

关键词: 温室环境监测无线传感器网络目录摘要 (I)第一章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 课题意义 (1)1.3 研究内容 (1)第二章无线传感器网络的理论基础 (3)2.1 WSN的介绍 (3)2.2 WSN的构成 (3)第三章路由协议的分析 (4)3.1 路由协议的分类 (4)3.2 路由协议的分析 (4)3.3 对典型协议的比较 (6)第四章无线传感器网络的设计实现 (7)4.1 V-USSN-WR24B无线数据收集器 (7)4.2 V-WSN-01-MODULE模块 (7)4.3 组建网络 (8)4.4 管理网络 (9)4.5 数据变化波形 (10)4.6数据列表 (10)4.7 主窗口布局 (11)4.8 报警与显示 (11)第五章总结与展望 (12)参考文献 (13)附录 (14)硬件连接电路图 (14)第一章绪论1.1 课题背景我国是世界上设施栽培面积最大的国家，而且近几年国产连栋温室每年以新增100-150万公顷的面积快速发展。

引导温室用户根据作物的要求进行环境因子的调节以获得作物产量和品质的提高，是温室环境因子调控决策支持系统的主要目标和方向。

然而，目前的温室测控系统大多采用有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这不仅大大增加了电气工程施工费用，也导致施肥等工作困难。

此外，系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力，维护工作量大，也不利于系统升级。

因此，为了实现温室农作物的优质、高产和高效，开发和研制一种新型的温室环境测控系统是十分必要的。

1.2 课题意义无线传感器网络技术是现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科的综合。

把无线传感器刚络技术引入到温室大棚生产中来，农业将有可能逐渐地从以人力为中心，依赖于孤立的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。

从而实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制、大幅度提高单位面积的劳动生产率和资源产出率、改善温室等设施内工作环境和工作条件、提高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，对实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义。

本课题基于无线传感器网络技术，研究温室环境中温湿度智能监测系统的相关技术，为实现温室无线传感器网络监测系统奠定良好基础。

1.3 研究内容本论文主要介绍的是对温室的温度、湿度、光照及二氧化碳的浓度进行实时监测，并给出了系统的硬件结构、通信协议及软件流程。

该系统利用无线通信的传输方式取代了传统的有线通信传输方式，具有配置灵活、组网方便的优点。

随着温室大棚技术的进一步发展和推广，温室大棚在蔬菜和水果的种植中得到越来越广泛的应用。

而温室大棚培育的关键是对温室大棚内温度、湿度、光照等因素的控制。

在最初的温室大棚种植过程中，基本上是依靠人力定期到大棚中去测量和观测各种因素和参数。

随着近几年自动化控制技术和电子技术的发展，现代大棚中也具有控制温湿度、光照等条件的设备，并实现用电脑自动控制创造植物所需的最佳环境条件，但是在信息传输的关键技术中采用有线技术。

本论文提出了一个基于无线传感器网络的温室监测系统的设计方案，提出在温室大棚的监测系统中采用无线通信技术。

第二章无线传感器网络的理论基础2.1 WSN的介绍WSN 是 wireless sensor network 的简称，即无线传感器网络。

就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。

基于 MEMS 的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。

2.2 WSN的构成典型的WSN系统主要由信息管理节点、汇聚节点(Sink Nocle)、传感器节点(Sensor Node)和相关网络构成。

传感器节点由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送到汇聚节点。

各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，传感器节点采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳传输到汇聚节点。

一个WSN系统通常有数量众多的体积小、成本低的传感器节点。

汇聚节点和传感器节点构成了底层数据采集和传输的网络系统，虽然单个节点功能有限，采集的数据也不够准确，但是大量具有一定计算能力、存储能力和通信能力的节点相互协作，构成一个具有高度抗毁性的网络系统，其采集数据的精度和广度得以很大提升，传回的数据完全能够作为用户决策的参考。

汇聚节点通过通信卫星或其他其通信网络，将监测数据传输到管理节点。

管理节点通过对整个系统的配置和管理，实现对系统中各节点监测任务的发布和监测数据的收集与处理。

WSN典型结构如图2.1所示。

图2.1 WSN典型结构示意图第三章路由协议的分析无线传感器网络中节点的能量资源、计算能力和带宽都非常有限，而且无线传感器网络通常由大量密集的传感节点构成，这就决定了无线传感器网络协议栈各层的设计都必须以能源有效性为首要的设计要素。

无线传感器网络路由设计的重要目标是降低节点能源损耗，提高网络生命周期。

许多新的适用于无线传感器网络的路由协议得到提出，根据现有无线传感器网络路由协议实现方法的特点，3.1 路由协议的分类可将路由协议大致分为四类：洪泛式路由协议，层次式路由协议，以数据为中心的路由协议，以及基于位置信息的路由协议。

几乎所有的无线传感器网络路由协议都可归为这四类。

1．洪泛式路由协议：这种协议是一种古老的协议。

它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点。

对于自组织的传感器网络，洪泛式路由是一种较直接的实现方法，但容易带来消息的“内爆”和“重叠”，而且它没有考虑能源方面的限制，具有“资源盲点”的缺点。

2．层次式路由协议：它的基本思想是将传感节点分簇，簇内通讯由簇头节点来完成，簇头节点进行数据聚集和合成减少传输信息量，最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。

这种方式能满足传感器网络的可扩展性，有效的维持传感节点的能量消耗，从而延长网络生命周期。

3.2 路由协议的分析LEACH是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议。

其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的。

LEACH 算法主要通过随机选择聚类首领，平均分担中继通信业务来实现。

LEACH 定义了“轮”的概念，每一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。

在初始化阶段，随机选择节点为聚类首领，成为聚类首领的节点向周围广播信息，其他节点根据接受到广播信息的强度来选择它所要加入的聚类，并告知相应的聚类首领。

在稳定工作阶段，节点持续采集监测数据，传送到聚类首领，由聚类首领对数据进行必要的融合处理之后，发送到终端节点。

下一轮工作周期重新选择聚类首领。

聚类首领的建立过程是：节点从 0 到1 的随机数中任意选择一个数值，若当前轮中这个数值小于设定的阀值T(n)，则该节点成为簇头节点。

（3.1.1）其中p为期望的簇头节点在所有传感节点中的百分比；r 是当前轮数；G 是在最后的1/p 轮中未成为簇头节点的节点集。

采用低功耗自适应聚类路由算法使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比，低功耗自适应聚类路由算法可以将网络生命周期延长15%。

但是低功耗自适应聚类路由算法假设所有的节点都能直接与簇头节点和终端节点通讯，采用连续数据发送模式和单跳路径选择模式，因此在需要监测面积范围大的应用中不适用，而且动态分簇带来了拓扑变换和大量广播这样的额外开销。

Directed Diffusion是以数据为中心的路由协议发展过程的里程碑。

其他的以数据为中心的路由协议都是基于定向扩散改进或者采用类似的关键思想来提出的。

Directed Diffusion 算法的主要思想是对网络中的数据用一组属性对命名，基于数据进行通信。

DirectedDiffusion 采用查询驱动数据传送模式。

当Sink 节点对某事件发出查询命令时就开始一个新的定向扩散过程，它由查询扩散，初始梯度建立和数据传送三个阶段构成。

图3.1 (a)查询扩散；(b)初始梯度的建立；(c)数据沿加强路径传送在查询扩散阶段，Sink 节点采用和目标数据相似的一组属性对来命名它发出的查询信息，并将查询信息通过广播逐级扩散，收到查询信息的节点缓存信息，并进行局部数据聚集，最终查询信息遍历全网，找到所有匹配的目标数据。