基于无线Mesh网络的海岸环境监测系统和水下光学无线通信技术研究

论文摘要

海洋科学本质上是一门以观测为基础的科学,高新探测技术对促进海洋科学的进步是至关重要的。随着信息技术的发展,水下海量数据的无线高速传输和网络化海洋环境监测技术已受到国内外高度重视。由于水介质对声波的吸收与频率的平方成正比,声学通信可用的带宽很窄,同时由于声速传播速率有限,这给大信息量的水下数据传输带来“瓶颈”问题;而光学通信具有频带宽、数据传输速率高、波束宽度窄、方向性好等优点,因此结合水下光学通信技术和水下移动平台可以解决声学通信数据传输速率低的矛盾。无线传感器网络作为一种新兴的技术发展方向,其特点之一是拥有数量较多的集信息采集、处理、目标控制及信息传输为一体的低成本传感器节点,可以自动构成传感器网络组合,通过各节点的协同工作完成对较大区域的全覆盖和时空信息连续获取任务。因此,通过在海岸布设无线传感器网络来获取沿海空间各种环境要素信息,对于海洋环境监测和生态监测具有重要的应用价值。本文针对国内在水下高传输速率通信技术和海岸监测无线传感器网络技术研究存在的差距和不足,开展了高传输速率通信的光学无线通信技术研究和海岸环境监测无线Mesh传感器网络原型系统开发,完成工作如下:(1)根据发光二极管所具有的体积小、功耗低、发光脉冲便于简单电路进行调制和控制、能源转换效率高、易于安装、价格低等特点,完成了数据传输速率可达10 Mbits/s的发光二极管水下光学无线通信系统设计,为深海移动装置的高传输速率水下无线通信提供了技术支持。(2)针对光波在海水中的传输特性,分析了水下光学信道的特点,结合目前国内通用的电路辅助设计工具PSpice,提出了基于PSpice的水下信道建模和系统仿真分析方法,建立了水下光学无线通信系统设计过程中的性能快捷评估体系。并且对基于发光二极管的光学通信系统在不同海洋环境条件下的通信距离、传输速率等性能进行了评估。(3)利用新兴的无线Mesh网络技术,进行了基于TinyOS操作系统平台的无线传感器海岸环境监测系统的开发,建立了一套基于多跳机制的无线信息实时收集、处理和显示的软件系统。(4)构建了海岸监测传感器网络系统原型,分别在崂山校园湖区和青岛第二海水浴场完成了温度实时监测实验。为开发网络化,高时空分辨率的海岸环境综合监测网络系统奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 水下光学无线通信技术及进展
• 1.2.1 水下无线通信技术优势
• 1.2.2 水下光学无线通信的国内外发展现状
• 1.3 无线传感器网络技术在海岸环境连续监测中带来的挑战与机遇
• 1.3.1 无线传感器网络技术特点
• 1.3.2 无线传感器网络技术在海洋环境监测的应用现状
• 1.4 本论文的工作及结构
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 2 基于LED 的水下光学无线通信系统的设计
• 2.1 引言
• 2.2 水下光学无线通信技术构成
• 2.3 光发射系统的设计
• 2.3.1 光源的选择
• 2.3.2 发射电路设计
• 2.4 光学收发天线的设计
• 2.4.1 发射与接收光学系统
• 2.4.2 滤波片的选择
• 2.5 光接收系统设计
• 2.5.1 光电二极管的选择
• 2.5.2 接收电路设计
• 2.6 收发模块的PCB 实现
• 2.7 本章小结
• 3 水下光学无线通信系统的仿真分析
• 3.1 引言
• 3.2 海水信道对光学通信的影响
• 3.3.1 海水的吸收特性
• 3.2.2 海水的散射特性
• 3.2.3 海水的衰减特性
• 3.3 基于PSPICE 的水下光学通信系统仿真方法
• 3.3.1 PSpice 仿真软件概述
• 3.3.2 信道模型建立方法
• 3.3.3 发射与接收电路模型
• 3.4 仿真结果与分析
• 3.4.1 电路性能分析
• 3.4.2 通信误码率
• 3.5 小结
• 4 海岸环境监测的无线传感器网络技术
• 4.1 引言
• 4.2 海岸环境监测的无线传感器网络架构
• 4.2.1 传统海岸环境监测网络技术
• 4.2.2 无线Mesh 网络与蜂窝网络和无线局域网的区别
• 4.2.3 基于无线Mesh 网络的海岸监测系统架构
• 4.3 基于TINYOS 的无线传感器平台
• 4.3.1 无线传感器操作系统TinyOS 及IEEE802.15.4/ZigBee 协议
• 4.3.2 无线传感器平台Mote 硬件介绍
• 4.4 本章小结
• 5 基于无线传感器网络的海岸监测原型系统的实现
• 5.1 引言
• 5.2 多跳无线传感器网络应用软件设计
• 5.3 海岸监测传感器网络系统设计与制作
• 5.3.1 传感器节点制作
• 5.3.2 海岸传感器监测网络系统软件架构
• 5.3.3 单跳网络模拟实验
• 5.3.4 多跳网络实验
• 5.4 现场监测实验
• 5.4.1 崂山校园湖监测网络实验
• 5.4.2 青岛第二海水浴场监测网络实验
• 5.5 实验结果
• 5.5.1 校园湖实验结果与分析
• 5.5.2 青岛第二海水浴场实验结果与分析
• 5.6 本章小结
• 6 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录1 发射和接收电路PCB 输出图
• 附录2 LED 的 PSPICE 描述语言
• 附录3 数据格式
• 附录4 多跳网络读取数据源代码
• 附录5 路由选择算法源代码
• 致谢
• 个人简历和发表的学术论文