农村饮用水安全监测的WSN节点设计及其组网研究

发布时间：2017-08-31 17:09

  本文关键词：农村饮用水安全监测的WSN节点设计及其组网研究

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【摘要】：水是生命之源,直接关乎人类的身心健康,农村饮用水水体的浊度、盐度、溶解氧浓度、酸碱度(pH值)、氨氮含量、电导率等水质指标都在不同程度上影响人民的身心健康。农村饮用水水质的超标问题更是直接威胁着我国农村饮水安全,为保障农村饮水安全,提高生活质量,必须对农村饮用水水质参数进行实时监测。无线传感器网络(wireless sensor networks,WSN)的兴起,将逻辑上的信息世界和真实的物理世界紧密地结合起来,实现智能化监测和控制,已得到广泛的应用。本文以无线传感器网络应用于水环境监测为研究背景,分析了国内外饮用水安全监测情况和无线传感器网络的应用现状,针对传统水质监测技术存在污染报警滞后、数据传输障碍和成本高等问题,设计了一种适用于农村饮用水安全监测的WSN节点并对其进行组网研究。节点以STM32F103ZET6处理器为核心,WLK01L39无线通信芯片及其外围电路作为无线通信模块,传感器模块由美国ASI公司的FiveProbeSensor传感器及其外围电路组成,还包括供电模块、串口模块、GPS模块及能源管理模块的设计。在软件设计上,节点采用休眠唤醒工作机制来降低功耗。为节点编写了驱动程序、通信协议和应用程序,其中包括系统初始化、传感器数据采集与处理、路由协议、数据传输方式、休眠唤醒机制、时间同步算法和组网入网协议等程序。对节点的主要性能,包括节点功耗、通信距离、电池放电特性、生命周期、性能比较和功能拓展等进行了分析和测试。组网试验结果表明:节点及其网络系统运行稳定可靠,组网系统有效通信距离远,具有低功耗、异常报警等优点。将无线传感器网络技术应用在农村饮用水安全监测中,符合当前饮用水水质监测智能化与信息化的要求,对提高农村饮用水质量、保障饮用水安全、减轻监测人员工作强度等都具有良好的实际效益。
【关键词】：无线传感器网络 农村饮用水 水质监测 节点设计 低功耗
【学位授予单位】：华南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.5;TP274
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题研究的背景及意义9-11
• 1.1.1 课题背景9-10
• 1.1.2 研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 国外面向水资源监测的WSN节点研究现状11-12
• 1.2.2 国内面向水资源监测的WSN节点研究现状12-14
• 1.3 论文研究内容与结构安排14-16
• 1.3.1 论文研究内容14-15
• 1.3.2 论文结构安排15-16
• 1.4 本章小结16-17
• 2 基于WSN的农村饮用水安全监测系统概述17-25
• 2.1 系统功能概述17
• 2.2 系统结构及工作原理17-19
• 2.3 系统主要组成部件19
• 2.4 WSN节点设计关键技术及要点19-24
• 2.4.1 WSN节点设计关键技术19-22
• 2.4.2 WSN节点设计要点22-24
• 2.5 本章小结24-25
• 3 节点硬件设计与实现25-44
• 3.1 节点设计方案概述25-26
• 3.2 节点元器件选型26-31
• 3.3 节点硬件实现31-43
• 3.3.1 处理器模块31-33
• 3.3.2 无线通信模块33-34
• 3.3.3 传感器模块34-35
• 3.3.4 串口通信模块35-36
• 3.3.5 供电模块36-38
• 3.3.6 能量管理模块38-39
• 3.3.7 GPS模块39-41
• 3.3.8 节点整体实现41-43
• 3.4 本章小结43-44
• 4 节点软件设计与实现44-59
• 4.1 驱动程序设计44-51
• 4.1.1 系统初始化程序44-46
• 4.1.2 传感器数据采集与处理程序46-51
• 4.2 通信协议设计51-57
• 4.2.1 无线通信数据格式51-52
• 4.2.2 路由协议设计52-53
• 4.2.3 数据传输方式设计53-54
• 4.2.4 休眠唤醒机制54-55
• 4.2.5 时间同步算法设计55-56
• 4.2.6 组网入网协议设计56-57
• 4.3 应用程序设计57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 5 节点性能测试及组网分析59-68
• 5.1 节点性能测试59-65
• 5.1.1 节点通信距离测试59-61
• 5.1.2 节点功耗测试61
• 5.1.3 电池放电特性61-62
• 5.1.4 节点生命周期62-64
• 5.1.5 节点性能比较64
• 5.1.6 WSN节点功能拓展64-65
• 5.2 节点组网试验65-67
• 5.2.1 试验及部署方案65-67
• 5.2.2 无线传感器网络丢包率分析67
• 5.3 本章小结67-68
• 6 结论与讨论68-70
• 6.1 结论68-69
• 6.2 讨论与展望69-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-75
• 附录A 攻读学位期间的科研成果75-76
• 附录B WSN节点原理图76-78
• 附录C WSN节点PCB图78-79
• 附录D WSN节点程序代码79-89

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：766827