基于太阳能供电的森林环境无线监测系统设计

摘要

森林环境是人类自然环境中生物环境的重要组成部分，为保护森林的生态环境，最大限度减少森林灾害导致的危害与损失，本文使用无线传感器网络技术实现对森林环境（主要是温度及二氧化碳浓度）的远程实时动态监测。由于无线监测节点数目多且分布范围大，所以用传统的电缆供电难以实现，因此本文设计了一种新型太阳能光伏发电系统为无线监测节点供电。
　　首先，从森林的特定环境以及最大限度提高太阳能转换效率和降低节点功耗出发，通过对几种不同的太阳能供电方案进行比较，设计了基于反激变换器的直流-直流变换电路和超级电容器-锂离子电池的混合储能系统为传感器节点供电，并通过对系统模型进行理论分析以及matlab仿真分析了能量管理系统的可行性，然后提出了一种改进的电导增量法实现太阳能电池的最大功率点追踪（MPPT），结果显示该太阳能光伏发电系统能够极好的满足节点需求。
　　其次，基于太阳能供电的特性，分析了传感器节点和网关系统各功能模块的硬件结构电路设计，搭建了一套低功耗、可靠性强的硬件系统。并详尽叙述了系统的软件设计，主要包括：传感器节点定时采集、发送数据的软件流程；汇聚节点CC2430初始化及按照改进的LEACH协议组建网络、汇聚并发送数据；STM32通过AT指令实现GPRS模块SIM900A与远程监测中心的通信。
　　最后对无线传感网络、GPRS模块远程通信及系统整体进行测试，结果表明该系统稳定性高且功耗低，数据传输的成功率可以达到90％以上，可以很好完成森林环境的远程实时监测任务。

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图表清单

注释表

第一章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 太阳能光伏发电技术国内外研究现状

1.3 无线传感网络概述及研究现状

1.4 论文主要研究内容和具体章节安排

第二章 基于反激变换器的太阳能光伏发电系统设计

2.1 光伏电池的原理及特性分析

2.3 基于反激变换器的直流-直流变换电路设计

2.4 超级电容器和锂离子电池混合储能结构设计

2.5 太阳能光伏电池最大功率点追踪（MPPT）算法分析

2.6 本章小结

第三章 森林环境无线监测系统整体框架设计

3.1系统总体设计概述

3.2系统硬件平台方案设计

3.4系统设计要求

3.5本章小结

第四章 无线监测系统硬件设计

4.1森林环境监测传感器节点硬件设计

4.2森林环境监测网关系统硬件设计

4.3本章小结

第五章 森林环境监测系统软件设计

5.1 ZigBee协议栈路由协议选择

5.2森林环境监测传感器节点软件设计

5.3 网关系统软件设计

5.4 本章小结

第六章 实验测试分析及总结展望

6.1 无线监测系统实验测试分析

6.2 工作内容总结与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录：基于太阳能供电的无线监测系统硬件实物图