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基于移动Sink节点传感器网络的农业环境信息监测系统设计与实现

作　者: 吕立新
导　师: 郑诚
学　校: 安徽大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 无线传感器网络 农业环境监测 移动Sink节点 Hopfield-GA算法
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


农业信息的获取、传输、处理和应用是数字农业研究的四个重要组成部分,无线传感器网络为农业领域的环境监测、数据采集与处理提供了一种有力的解决方案,避免了传统农业数据采集监测系统的不足,目前已成为农业科技工作者的研究重点和研究热点。本文针对目前在农业监测领域广泛使用的固定Sink传感器网络进行了分析,指出了其在网络生存时间、节点能耗和数据采集算法等方面存在的不足,并在此基础上提出了带有移动Sink节点的农业环境监测系统设计方案。本文以MSP430低功耗处理器为核心,设计了传感器节点的传感器模块、无线通信模块的电路方案,同时使用太阳能电池板和超级电容为节点设计了太阳能供电单元,给出了传感器节点软件的工作流程。使用S3C2440 ARM处理器设计了移动Sink节点的主控制系统,给出了动力驱动模块、无线通信模块和各种外围接口的电路设计方案,并在此基础上,基于嵌入式Linux操作系统,开发了硬件驱动程序和节点的应用程序。针对目前移动Sink节点数据采集算法存在的缺陷,提出了一种最大数据量最小能耗数据采集优化模型,同时为模型设计了Hopfield-GA求解算法,给出了算法的染色体编码、交叉运算、变异运算的详细方案和算法运行的流程。从仿真结果来看,该算法相对于普通GA算法,具有精度高,收敛速度快等特点,是一种非常有效的寻优算法。通过实验可见,本文提出的带有移动Sink节点的农业环境监测系统设计方案,能很好地实现对农业环境参数信息的采集与监测,基于Hopfield-GA优化的数据采集算法无论是在数据采集量方面,还是在网络生存时间方面都有较明显的优势,为现代农业信息监测领域提供了一套可行的技术方案。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-17
  1.1 传感器网络在农业领域的应用背景与研究意义  8-10
    1.1.1 传感器网络在农业中的应用背景  8-9
    1.1.2 传感器网络在农业应用中的研究意义  9-10
  1.2 农业环境监测系统的研究现状与不足  10-14
    1.2.1 国内外的研究现状  10-12
    1.2.2 当前研究存在的不足  12-14
  1.3 带有移动Sink节点的农业环境监测系统  14-15
    1.3.1 Sink节点移动方案选择  14
    1.3.2 本设计的应用场景描述  14-15
  1.4 本文的研究内容及结构安排  15-16
  1.5 本章小结  16-17
第二章 农业环境监测系统传感器节点设计与实现  17-35
  2.1 传感器节点设计要求及体系结构  17-18
  2.2 处理器模块设计  18-19
  2.3 传感器模块硬件设计  19-25
    2.3.1 温湿度传感器  19-20
    2.3.2 光照传感器  20-21
    2.3.3 CO_2浓度传感器  21-22
    2.3.4 土壤三参数传感器  22-23
    2.3.5 通用传感器采集接口设计  23-25
  2.4 无线通信模块设计  25-26
  2.5 电源模块设计  26-30
    2.5.1 太阳能供电单元设计  26-27
    2.5.2 电源切换控制电路设计  27-28
    2.5.3 电源处理电路  28-30
  2.6 传感器节点软件系统设计  30-34
    2.6.1 传感器节点软件整体框架  30-31
    2.6.2 传感器节点数据采集程序开发  31-33
    2.6.3 无线数据传输程序设计  33-34
  2.7 本章小结  34-35
第三章 移动Sink节点设计与实现  35-46
  3.1 移动Sink节点体系结构  35-36
  3.2 移动Sink节点硬件设计  36-41
    3.2.1 寻迹传感器设计  36-37
    3.2.2 动力控制模块设计  37
    3.2.3 ARM控制主板设计  37-41
  3.3 移动Sink节点软件系统设计  41-45
    3.3.1 Linux操作系统移植  41-42
    3.3.2 设备驱动开发  42-43
    3.3.3 移动Sink节点应用程序开发  43-45
  3.4 移动Sink节点硬件实现  45
  3.5 本章小结  45-46
第四章 基于Hopfield-GA算法的移动Sink数据采集优化研究  46-57
  4.1 移动Sink节点数据采集算法研究现状与不足  46-48
    4.1.1 数据采集算法研究现状  46
    4.1.2 当前数据采集算法存在的缺陷  46-48
  4.2 最小能耗最大数据量优化模型  48-51
    4.2.1 模型应用场景及基本假设  48-50
    4.2.2 数据采集量最大化模型  50-51
  4.3 Hopfield-GA优化算法设计  51-56
    4.3.1 适应度函与数染色体编码设计  51-52
    4.3.2 Hopfield网络初始解局部搜索算法设计  52-53
    4.3.3 种群进化策略设计  53-54
    4.3.4 Hopfield-GA算法的执行流程  54-56
  4.4 本章小结  56-57
第五章 Hopfield-GA算法仿真与系统功能测试  57-64
  5.1 Hopfield-GA算法仿真与性能评估  57-61
    5.1.1 Hopfield-GA算法仿真  57-58
    5.1.2 Hopfield-GA的移动Sink数据采集算法性能评估  58-61
  5.2 农业环境监测系统功能测试实验  61-63
  5.3 本章小结  63-64
第六章 结论与展望  64-66
  6.1 结论及研究总结  64-65
  6.2 未来的研究工作展望  65-66
参考文献  66-69
致谢  69-70
攻读学位期间发表的论文  70

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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