基于WSN的灌区信息监测及三维可视化系统的设计与实现

发布时间：2017-06-21 15:16

  本文关键词：基于WSN的灌区信息监测及三维可视化系统的设计与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：灌区信息监测是提高灌区现代化管理水平的一个重要内容。传统的灌区信息监测系统呈现出单点、有线和本地的特点,难以实现灌区尺度的信息监测。利用现代水利信息化技术,及时获取水资源系统的实时水状态信息,成为与现代水资源管理技术发展相平行的重要支撑技术问题。针对灌区范围大、工程分散、区内气候差异、降雨时空分布不均匀等特点,本文从无线传感器网络技术出发,选取人民胜利渠渠首为典型试验场景,对智慧灌区复杂环境下的数据采集、数据传输和数据处理进行了研究和实现,具体工作如下:1、基于ZigBee协议的无线传感器网络的设计与实现:采用TI推出的ZigBee片上系统解决方案CC2530,并结合业界领先的Z-Stack协议栈,给出了无线传感器网络的总体设计方案。同时,针对网络拓扑获取、网络管理、多源数据采集接口和数据采集控制等问题,从软硬件两方面对协调器、路由器和端节点进行了实现。2、基于WSN的灌区信息监测系统的设计与实现:针对人民胜利渠灌区的复杂环境,结合目前灌区节水改造、续建配套存在的问题,选取具有代表性的渠首作为灌区信息监测系统的典型试验场景。将基于ZigBee协议构建的无线传感器网络应用于灌区信息化建设,对农田土壤含水率、环境温湿度以及经纬度等信息进行自动化采集传输。为解决感知数据的远程实时传输问题,采用STM32F107作为应用处理器,将基于ZigBee协议的无线传感器网络与基于TCP/IP协议的GPRS模块相连接。引入μC/OS-Ⅱ操作系统对处理器软硬件资源进行管理,规避前后台程序设计缺陷,实现无线传感器网络与Internet间自由的信息交流。3、基于Unity 3D的渠首三维可视化系统的设计与实现:创新性地将虚拟的场景与无线传感器网络感知的数据融合,利用感知数据驱动虚拟场景运动,形成灌区水资源时空信息。首先,采用3D Max对典型试验场景中的渠首闸、渠道、建筑物以及附近农田树木等对象进行建模。然后,通过Unity 3D引擎进行模型集成和调度,实现了典型场景漫游、闸门量水、土壤墒情可视化和信息查询等功能。测试结果表明,本文研究的灌区监测系统具有良好的扩展性,运行稳定,能可靠地实现灌区信息采集与传输。实现的渠首三维可视化系统,将感知数据与虚拟场景融合,直观表现感知数据,为灌区信息处理提供了新思路。同时,开发的土壤墒情在线监测设备通过河南省电子产品监督检验所检验,并已应用于河南省人民胜利渠管理局,为灌区的信息化建设起到一定的示范作用。
【关键词】：智慧灌区 灌区信息化 ZigBee WSN Unity 3D μC/OS-Ⅱ
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S27;TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 引言9
• 1.2 课题研究背景及意义9-10
• 1.3 国内外发展概况10-13
• 1.3.1 国外研究现状10-11
• 1.3.2 国内研究现状11-13
• 1.4 研究的主要内容13
• 1.5 章节安排13-15
• 2 无线传感器网络15-23
• 2.1 引言15
• 2.2 无线传感器网络概述15-19
• 2.2.1 无线传感器网络的体系结构15-18
• 2.2.2 无线传感器网络的关键技术18-19
• 2.3 ZigBee协议19-21
• 2.3.1 ZigBee协议栈架构19-20
• 2.3.2 技术规范20-21
• 2.4 本章小结21-23
• 3 基于ZigBee协议的无线传感器网络的设计与实现23-41
• 3.1 引言23
• 3.2 基于ZigBee协议的无线传感器网络的总体方案23-25
• 3.2.1 无线传感器网络体系结构23
• 3.2.2 协调器节点设计23-24
• 3.2.3 多源信息ZigBee终端节点设计24-25
• 3.2.4 路由中继节点设计25
• 3.3 基于ZigBee协议的无线传感器网络的实现25-40
• 3.3.1 无线传感器网络硬件25-30
• 3.3.2 无线传感器网络软件30-37
• 3.3.3 软硬件联调及结果分析37-40
• 3.4 本章小结40-41
• 4 基于WSN的灌区信息监测系统的设计与实现41-67
• 4.1 引言41
• 4.2 基于WSN的灌区信息监测系统总体设计41-43
• 4.2.1 基于WSN的灌区信息监测系统总体架构41-42
• 4.2.2 远程传输网关42
• 4.2.3 感知节点42-43
• 4.3 基于WSN的灌区信息监测系统的实现43-55
• 4.3.1 灌区信息监测系统硬件43-50
• 4.3.2 灌区信息监测系统软件50-55
• 4.4 调试结果55-65
• 4.4.1 现场安装情况55-59
• 4.4.2 结果分析59-65
• 4.5 本章小结65-67
• 5 基于Unity 3D的渠首三维可视化系统的设计与实现67-79
• 5.1 引言67
• 5.2 基于Unity 3D的渠首三维可视化系统的总体设计67-68
• 5.2.1 系统总体设计框架67
• 5.2.2 渠首三维场景构建67-68
• 5.2.3 渠首三维可视化系统的功能68
• 5.3 系统开发68-76
• 5.3.1 地形建模68-69
• 5.3.2 建筑物建模69-72
• 5.3.3 三维可视化系统功能开发72-76
• 5.4 三维可视化系统展示76-78
• 5.5 本章小结78-79
• 6 结论与展望79-81
• 6.1 总结79
• 6.2 展望79-81
• 攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文81-83
• 致谢83-85
• 参考文献85-87

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  本文关键词：基于WSN的灌区信息监测及三维可视化系统的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：469095