基于WSN的水环境参数因子采集系统设计与实现

发布时间：2017-06-10 02:04

  本文关键词：基于WSN的水环境参数因子采集系统设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着经济发展的日益加快,对环境产生的负面效应日益显现,尤其是对水环境的破坏已经影响到人们的正常生活需求。因此,提高水污染实时监测能力是保护水资源的重要途径。传统的水环境监测方法有着各自不同的优点,但普遍存在着相同的缺点,那就是实时性差,无法对突发的水污染事件进行监测;监测范围小,无法满足对大面积水域的监测需要。而无线传感网作为一种先进的感知系统网络来说,具有长距离无线传输,实时数据采集的功能,在越来越多的领域得以广泛应用。本文通过对无线传感器网络的特点及应用领域的分析,结合课题目标水域的具体应用环境,在充分考虑水域污染特点及周边影响因素的情况下,设计并开发了一套基于无线传感器网络的水环境参数因子采集系统。该系统主要包括三个部分:前端传感器数据采集网络,水环境感知终端以及M2M远程监控管理平台。本系统通过水环境感知终端来完成前端传感器网络的部署,调度并将前端传感器网络采集上来的实时数据通过无线传输的方式上传到M2M远程监控管理平台,进而完成对水体污染参数的实时收集,管理,提升应对突发污染事件的能力。本文的主要研究内容是基于470MHz传输的前端传感器数据采集网络以及水环境感知终端对前端传感器数据采集网络的系统管理和调度。文中分别从软件设计方面和硬件设计方面对系统的三个重要的组成部分加以阐述。硬件部分主要包括:水环境感知终端电路设计,GPRS无线通信模块设计,电源电路设计等;软件部分主要包括:感知终端管理系统设计,应用于应用层采集数据传输的MODBUS传输协议设计,应用于终端与数据上报的平台WMMP传输协议设计,M2M平台设计以及远程控制程序设计。除此之外,课题还引入了感知终端系统调度方法,并针对网络传感器设备时钟同步精度不高的问题,引入了一种基于IEEE 1588高精度时钟同步协议的算法。最后,根据课题要求分别对水环境感知终端,前端传感器网络和M2M平台进行测试,根据不同测试指标来完成系统测试。测试结果表明:系统能够有效的完成对不同水环境因子的采集和对水环境的实时监控任务。
【关键词】：水环境监控 470MHz 无线传感器网络 感知终端 时钟同步
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X84;TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-14
• 第1章 绪论14-21
• 1.1 课题研究背景14
• 1.2 国内外水环境监测系统研究现状14-17
• 1.2.1 国外水环境监测系统研究现状14-15
• 1.2.2 国内水环境监测系统研究现状15-17
• 1.3 无线传感器网络概述17-18
• 1.4 论文主要研究工作与组织结构18-20
• 1.4.1 主要研究工作18-19
• 1.4.2 论文组织结构19-20
• 1.5 本章小结20-21
• 第2章 水环境感知监测系统总体设计方案21-32
• 2.1 水环境感知监测系统体系结构综述21-23
• 2.2 470MHz无线传感器数据采集网络23-29
• 2.2.1 WTH-470网络分层23-26
• 2.2.2 WTH-470网络设备分类26-27
• 2.2.3 WTH-470网络拓扑结构27-29
• 2.3 水环境感知监测系统监测参数的确定29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 水环境感知终端硬件设计32-44
• 3.1 水环境感知终端硬件模块32-42
• 3.1.1 核心处理模块33-35
• 3.1.2 电源供电模块35-37
• 3.1.3 470MHz无线传输模块37
• 3.1.4 LCD模块37
• 3.1.5 GPRS模块37-39
• 3.1.6 DI/DO输入输出模块39
• 3.1.7 串口扩展模块39-40
• 3.1.8 Micro SD卡存储模块40-42
• 3.2 水环境感知终端硬件电路设计规范42-43
• 3.2.1 电源电压的走向问题42
• 3.2.2 高频低频模块干扰问题42-43
• 3.3 本章小结43-44
• 第4章 水环境感知终端软件设计44-69
• 4.1 嵌入式操作系统45-50
• 4.1.1 uC/OS_Ⅱ嵌入式实时操作系统简介45-46
• 4.1.2 uC/OS_Ⅱ系统与其他嵌入式系统的比较46
• 4.1.3 uC/OS_Ⅱ操作系统移植46-50
• 4.2 水环境感知监测系统组网实现50-52
• 4.3 硬件逻辑层点对点射频通信实现52-55
• 4.4 应用层点对点数据通信设计与实现55-68
• 4.4.1 MODBUS传输协议设计55-58
• 4.4.2 MODBUS协议软件实现58-62
• 4.4.3 WMMP无线传输协议设计62-66
• 4.4.4 WMMP无线传输协议软件实现66-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第5章 系统调度设计与时间同步69-85
• 5.1 网络时间表的建立69-71
• 5.1.1 时隙控制70-71
• 5.1.2 时隙接入71
• 5.2 网络设备工作模式71-74
• 5.3 IEEE 1588高精度时钟同步算法74-84
• 5.3.1 IEEE 1588高精度时钟同步算法74-77
• 5.3.2 基于相对频率偏移g估计的中继时钟算法77-78
• 5.3.3 IEEE 1588时钟同步算法实现78-82
• 5.3.4 IEEE 1588时钟同步性能提升82-83
• 5.3.5 IEEE 1588时钟同步测试83-84
• 5.4 本章小结84-85
• 第6章 系统测试85-89
• 6.1 无线传感网测试用例设计与测试结果85-87
• 6.2 M2M管理平台运行情况87-88
• 6.3 本章小结88-89
• 结论89-90
• 参考文献90-93
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果93-94
• 致谢94-95

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