【摘要】：無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Underground Sensor Networks,WUSN)是將大部分無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在地下,地面上僅出現(xiàn)少數(shù)用于為公共通信網(wǎng)絡(luò)提供信息交換的無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文以農(nóng)田土壤水分無(wú)線地下傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)、信號(hào)傳輸特性、通信協(xié)議及拓?fù)淇刂坪凸?jié)點(diǎn)定位算法等為研究對(duì)象,通過(guò)理論建模分析、計(jì)算機(jī)模擬仿真等,對(duì)WUSN的信號(hào)傳輸理論和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了研究和初探,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了WUSN節(jié)點(diǎn),研究并揭示了433MHz電磁波在農(nóng)田土壤中的通信特性,提出了WUSN通信協(xié)議,研究并建立了節(jié)點(diǎn)定位與部署算法。論文取得以下初步研究結(jié)果:(1)開(kāi)發(fā)了一種基于433MHz頻率的微功耗WUSN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件系統(tǒng),依據(jù)農(nóng)田土壤含水率、電磁波傳輸特性和節(jié)點(diǎn)性能,提出了無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求,結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真,論證并設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)電路系統(tǒng),開(kāi)發(fā)了由433MHz射頻模塊、MSP430、XR61-TDR2等主要硬件組成的無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。(2)研究并揭示了433MHz頻率WUSN電磁波在農(nóng)田土壤中傳輸?shù)幕咎匦訵USN節(jié)點(diǎn)頻率在433MHz時(shí),研究了節(jié)點(diǎn)埋藏深度、水平節(jié)點(diǎn)間距離和土壤含水率對(duì)通信的綜合影響,得出了節(jié)點(diǎn)埋藏深度、水平節(jié)點(diǎn)間距離和土壤含水率與通信接收信號(hào)強(qiáng)度和誤碼率的三維關(guān)系,建立了電磁波在土壤中傳輸?shù)幕咎匦浴?3)研究并提出了無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和拓?fù)淇刂扑惴ú捎?33MHz電磁波作為WUSN信號(hào)載體,經(jīng)過(guò)對(duì)能量路由協(xié)議、數(shù)據(jù)中心路由協(xié)議和邏輯分層路由協(xié)議三種路由機(jī)制的研究和分析,研究并提出了無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分簇路由協(xié)議;研究了無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渌惴?提出了基于GAF算法和改進(jìn)的GAF算法相混合的拓?fù)淇刂扑惴?實(shí)現(xiàn)了無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信負(fù)載的平衡。(4)研究并確定了無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位算法根據(jù)WUSN的覆蓋和連通性,分析了基于距離的定位算法和距離無(wú)關(guān)的定位算法,經(jīng)過(guò)算法的研究、優(yōu)化和驗(yàn)證,提出并確定了基于距離的RSSI定位算法和最大相似估算法相混合的節(jié)點(diǎn)定位算法。(5)驗(yàn)證了無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)單元測(cè)試系統(tǒng)在農(nóng)田內(nèi)搭建起具有四個(gè)地下傳感器節(jié)點(diǎn)、單簇頭的平面層次型無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證單元,利用該單元系統(tǒng)測(cè)試農(nóng)田土壤含水率,與通過(guò)烘干法測(cè)量各個(gè)WUSN地下傳感器節(jié)點(diǎn)周?chē)耐寥篮蕯?shù)據(jù)對(duì)比,結(jié)果基本相符。農(nóng)田土壤水分無(wú)線地下傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)較新的研究方向,關(guān)于其節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、拓?fù)淇刂扑惴肮?jié)點(diǎn)部署與定位等可供研究的內(nèi)容很多,本文主要對(duì)WUSN的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索性初步研究,WUSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體構(gòu)建技術(shù)還未形成,今后需要在關(guān)鍵技術(shù)、支撐理論和硬件設(shè)計(jì)等方面做更深層次的研究工作。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S152.7;TP212

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7 中化化肥高級(jí)顧問(wèn)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授 曹一平;秋分：小麥播前要整地施肥[N];農(nóng)民日?qǐng)?bào);2012年

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本文編號(hào)：2558581