面向水环境监测的无线传感器网络网关设计

论文摘要

自从改革开放以来,我国国民经济实现了飞速发展,经济总量急剧增加,与此同时,自然资源也日益枯竭,特别是水环境污染与水资源短缺问题日趋严重,严重制约我国经济的长期发展。保护水资源是我国的一项长期国策。水环境监测是水资源管理与保护的重要信息来源。传统的监测方法难以满足现代环境监测与信息化管理的要求。构建不受地理条件、气候条件和时间限制的网络化水环境实时监测系统势在必行。本文研究并设计了基于无线传感器网络（WSNs）的水环境监测系统的网关设备——无线网关。在设计中,无线网关采用以GPRS方式实现无线网关与远程监测中心的无线数据通信;以在无线传感器网络中广泛使用的ZigBee技术组织数据监测网,并采用CC2430模块,以此组成协调器设备,负责组建与管理ZigBee网络;采用低功耗微处理器MSP430F1611作为无线网关的主控制器,控制与协调整个系统的工作,并通过与ZigBee模块和GPRS Modem模块的通信,实现两种异构网络的通信。本文针对水环境监测的需要,分析了无线网关的功能要求,提出了一种基于无线传感器网络的水环境监测系统,着重研究了该系统中的通讯枢纽——无线网关,并设计了其软硬件系统。在无线网关的硬件设计方面,详细介绍了微控制器电路、Flash存储电路、实时时钟电路、CC2430模块、GPRS Modem接口电路等的设计。在软件设计方面,分别针对双处理器——CC2430和MSP430进行了软件设计。软件设计主要包括CC2430的ZigBee协议栈应用开发,MSP430的μC/OS-II应用开发、自定义的CC2430和MSP430通讯协议及整个水环境监测系统的帧协议设计。最后进行了系统测试,测试结果表明:无线网关可实现组建星型及树形ZigBee网络,并且实现了数据及命令在GPRS网络和ZigBee网络之间的高效双向通讯,满足了水环境远程实时监测系统的要求,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 研究目的与意义
• 1.1.2 水环境监测技术国内外研究现状
• 1.1.3 水环境监测技术发展趋势
• 1.2 基于无线传感器网络的水环境监测系统应用现状
• 1.3 无线网关应用现状
• 1.4 本文的创新点
• 1.5 本文的工作和组织形式
• 第2章 ZigBee与GPRS无线通讯技术
• 2.1 引言
• 2.2 ZigBee无线通讯技术
• 2.2.1 ZigBee技术特点
• 2.2.2 ZigBee体系结构简述
• 2.2.3 ZigBee网络拓扑简述
• 2.3 GPRS无线通讯技术
• 2.3.1 GPRS Modem
• 2.3.2 基于GPRS数据业务的特点
• 2.3.3 AT指令
• 2.4 结语
• 第3章 无线网关系统总体设计
• 3.1 引言
• 3.2 无线网关
• 3.3 无线网关设计要求
• 3.4 无线网关总体设计
• 3.4.1 系统原理及方案
• 3.4.2 无线网关主要模块的选取
• 3.4.3 系统功能设计
• 3.4.4 ZigBee网络的网络拓扑
• 3.5 结语
• 第4章 无线网关系统硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 MSP430 主控制器模块
• 4.2.1 主控制器MSP430F1611
• 4.2.2 时钟电路设计
• 4.2.3 串行存储电路设计
• 4.2.4 实时时钟电路设计
• 4.2.5 复位电路设计
• 4.2.6 JTAG接口电路
• 4.3 数据传输模块（ZigBee部分）
• 4.3.1 ZigBee无线芯片CC2430
• 4.3.2 CC2430 模块电路设计
• 4.3.3 CC2430 与MSP430 接口电路设计
• 4.4 数据传输模块（GPRS Modem部分）
• 4.4.1 GPRS模块
• 4.4.2 GPRS与MSP430 接口电路设计
• 4.5 电源电路设计
• 4.6 结语
• 第5章 无线网关系统软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 μC/OS-II移植及任务间通讯
• 5.3 数据处理任务设计
• 5.4 ZigBee模块通信任务设计
• 5.5 GPRS模块通信任务设计
• 5.6 Flash读写任务设计及空闲任务
• 5.7 实时时钟程序设计
• 5.8 ZigBee无线通信程序设计
• 5.8.1 水环境监测系统通讯协议
• 5.8.2 ZigBee协议栈
• 5.8.3 应用层接收回调函数
• 5.8.4 应用层程序设计
• 5.8.5 ZigBee协调器组网的实现
• 5.9 GPRS模块通讯任务中GPRS通信程序设计
• 5.9.1 GPRS中主要的AT指令
• 5.9.2 GPRS通信流程
• 5.10 结语
• 第6章 系统测试
• 6.1 引言
• 6.2 ZigBee协调器组网测试
• 6.2.1 ZigBee组网实测
• 6.2.2 ZigBee组网测试结果
• 6.2.3 ZigBee通讯质量测试结果
• 6.3 GPRS通信测试
• 6.3.1 GPRS通信实测
• 6.3.2 GPRS通信测试结果
• 6.4 无线网关与数据监测节点整体测试
• 6.5 结语
• 第7章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 详细摘要