WSN技术在滑坡监测系统中的应用研究

发布时间：2017-08-29 17:12

  本文关键词：WSN技术在滑坡监测系统中的应用研究

  更多相关文章： 滑坡监测 WSN RIP协议 分布式数据处理 声发射

【摘要】：我国是一个滑坡灾害频发的国家,每年因滑坡造成的各种经济损失就高达几十亿元,伤亡人数上千人。潜在的滑坡灾害威胁着人们的生命和财产安全。研发一套多参数、自动化、长周期,并能够准确实现滑坡灾害预警的监测系统,显得十分必要。近年来,随着无线传感网络(WSN)技术的成熟,基于WSN技术开展滑坡监测系统设计已是一个研究的热点。本文依托于“滑坡监测临滑预警”项目,提出应用WSN技术研发一套以降雨、地下水、位移、声发射信号为监测对象的滑坡监测系统。本文的主要研究内容及成果如下:第一,WSN协议和滑坡监测对象研究。分析了WSN技术在滑坡监测系统的现状,研究了射频收发器NRF24L01+增强型突发传输协议。在此基础上,提出一种包括物理层、数据链路层、网络层、应用层的WSN协议栈,并详细地阐述了每层协议的具体实现。根据滑坡监测系统的需要,设计了多种类型的广播帧,以及数据传输和处理命令,便于系统节点完成自组网和分布式的数据处理。分析了传统网络的RIP路由协议和OSPF路由协议的优缺点,提出一种适合于滑坡监测系统WSN的自组织、多跳的改进型RIP协议。对滑坡监测对象进行分析,明确了降雨、地下水和深部位移的监测参数,并利用多点声发射监测数据对比和声源定位的方法消除环境噪声对滑坡声发射信号的干扰。第二,系统硬件设计。滑坡监测系统WSN的网络节点设备包括众多分散的数据采集节点和一个数据汇聚节点。为了使节点具有较强的数据分析处理能力,两类节点的核心微处理器选用Cortex-M4内核的STM32F407VE,外部数据存储器选用大容量的Micro SD卡。声发射信号采集通过精密的4193型电容传声器与微处理器片上的12位逐次比较型ADC完成。地下水、降雨、滑坡位移传感器采集所得的数据通过成本低、可靠性高的RS-485总线传输,总线上的数据传输采用标准的Modbus-RTU协议。无线通信链路采用通信速率可达2Mbps的NRF24L01+射频收发器设计,并在射频收发器的输出级采用了RFX2401C进行功率放大,使其无线通信接收灵敏度可达-94d Bm。通过高精度的北斗/GPS双模定位授时模块BD-125完成节点的位置坐标确定和时间同步。滑坡监测系统通过GPRS通信模块USR-GPRS232-7S2接入移动互联网,进行远程数据传输。第三,系统软件设计。首先,将μC/OS-II操作系统和Fat Fs文件系统移植到本系统的微处理器上;其次,设计完成滑坡监测系统两类节点的底层的硬件驱动程序和WSN协议栈程序;最后,完成滑坡监测数据的采集和传输、分布式处理等关键的应用程序设计。第四,系统功能测试。完成系统节点的硬件设计和调试后,先对WSN的自组网和数据多跳传输进行了测试,然后对数据采集节点和汇聚节点的功能进行了测试。结果表明:系统对滑坡的地下水、降雨、位移和声发射信号进行监测,能够更全面的了解滑坡的发展过程;本文设计完成的滑坡监测系统WSN的节点组网灵活、可靠,无线通信速率明显提高;在滑坡监测系统中使用分布式数据处理技术来分析处理监测对象,可以增强滑坡监测的实时性和可靠性。
【关键词】：滑坡监测 WSN RIP协议 分布式数据处理 声发射
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P642.22;TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 选题依据及研究意义10-11
• 1.1.1 选题依据10
• 1.1.2 研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 主要研究内容13
• 1.4 技术路线及文章结构13-15
• 第2章 WSN协议栈与滑坡监测对象分析15-29
• 2.1 WSN协议栈研究与设计15-24
• 2.1.1 WSN的物理层15-16
• 2.1.2 WSN的数据链路层16-18
• 2.1.3 WSN的网络层协议18-20
• 2.1.4 路由信息协议20-21
• 2.1.5 开放最短路径优先协议21-22
• 2.1.6 WSN的路由协议设计22-24
• 2.2 滑坡监测对象分析24-28
• 2.2.1 降雨、地下水和位移数据24-25
• 2.2.2 滑坡体声发射信号25-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 滑坡监测系统硬件设计29-41
• 3.1 系统总体硬件结构29-30
• 3.1.1 数据采集节点硬件结构29-30
• 3.1.2 数据汇聚节点硬件结构30
• 3.2 数据采集节点电路设计30-38
• 3.2.1 微处理器最小系统电路30-31
• 3.2.2 声发射信号的采集电路31-32
• 3.2.3 降雨、地下水、深部位移数据采集电路32-34
• 3.2.4 本地存储器电路34-35
• 3.2.5 无线通信电路35-36
• 3.2.6 节点定位和时间同步电路36-37
• 3.2.7 节点供电系统电路37-38
• 3.3 数据汇聚节点电路设计38-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第4章 滑坡监测系统软件设计41-52
• 4.1 μC/OS-II操作系统在监测节点上移植41-44
• 4.1.1 μC/OS-II操作系统介绍41-43
• 4.1.2 μC/OS-II在STM32F407上的移植43-44
• 4.2 FatFs文件系统在监测节点上的移植44-46
• 4.2.1 FatFs文件系统介绍44-46
• 4.2.2 FatFs文件系统在STM32F407上的移植46
• 4.3 监测数据采集程序设计46-48
• 4.3.1 声发射信号采集程序设计46-47
• 4.3.2 RS-485总线上监测数据程序设计47-48
• 4.4 WSN应用层程序设计48-51
• 4.4.1 WSN文件传输程序设计48-49
• 4.4.2 远程通信程序设计49-50
• 4.4.3 分布式数据处理程序设计50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第5章 滑坡监测系统测试52-57
• 5.1 WSN性能测试52-53
• 5.2 数据采集节点测试53-55
• 5.3 数据汇聚节点测试55-56
• 5.4 本章小结56-57
• 结论57-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-62
• 攻读学位期间取得学术成果62

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本文编号：754455