基于无线传感器网络的环境监测系统研制

论文摘要

无线传感器网络是由分布在监测区域内大量的传感器节点利用无线通信的方式构成的一种网络。网络中的节点以自组网的方式形成网络。节点采集的数据可以经过其它节点多跳传输,在传输的过程中节点会对数据进行处理和融合,在经过多跳路由通信之后,节点的数据到达基站,最后再经由以太网或者卫星转发给监测中心。日前,无线传感器网络在环境监测中发挥着越来越重要的作用。和传统的环境监测手段相比,基于无线传感器网络的环境监测系统能够长期工作在野外的恶劣环境中且无需专人现场值守,同时具有数据采集量大、检测精度高、部署方便等优点。在深入了解国内外无线传感器网络的研究现状基础上,根据野外环境监测的需要,本文介绍了一种基于无线传感器网络的环境监测系统的解决方案。该系统利用多个不同的传感器,分别采集大气气压、大气温度、湿度、风向、风速、水位深度和降雨量等七个环境参数,利用ZigBee无线通信技术,通过多跳自组网的形式,将采集到的参数值传送给环境监测中心。监测中心对收到的数据进行进一步的分析和完成对监测区域数据的综合处理,实现的功能包含：数据的图形化显示、历史数据查询、网络拓扑图以及对整个系统的管理,如向节点发送睡眠、唤醒和改变采样频率等命令。文中首先介绍了无线传感器网络和环境监测的现状和发展趋势,分析了无线传感器网络在环境监测方面的优势。并且针对本文的环境监测系统,详细的介绍了无线传感器网络的系统组成和节点结构。论文还比较了几种短距离无线通信技术,并从中选择ZigBee无线通信技术作为本文的传感器网络的通信技术。其次,论文从无线传感器网络节点的硬件和软件的设计与实现做介绍。节点硬件分为无线通信模块和数据采集模块,其中无线通信模块以ATmegal281单片机和AT86RF230射频芯片为核心,数据采集模块使用SHT11温湿度传感器、MS5534B气压传感器、EC9-1测风传感器、LVYLC-02降雨量传感器和CR-Y20系列投入式液位变送器。节点软件的设计是在TinyOS操作系统上实现的,采用nesC语言编写无线通信模块、数据采集模块的驱动程序和节点的应用程序。再次,论文介绍了在LabVTEW下开发的无线传感器网络环境监测系统的后台监测软件。该软件采用XServe中间件服务器提供的标准数据接口,将基站接收到的整个传感器网络的数据转换成XML数据流的格式输出至监测软件。之后,软件读取和解析该XML数据流,从而实现监测软件的可视化显示,便于用户观测数据。最后,论文对无线传感器网络环境监测系统的性能进行了测试,包括节点的通信距离、最大监测半径、温度、湿度、大气压、风向、风速、降雨量以及水位深度等指标。测试结果表明该系统具有低功耗、节点的通信距离编程可调,有效通信距离大于150m；数据采集模块与无线通信模块在物理上相分离,支持多种信号采集。该无线传感器网络平台具有自组网、网络强度高,能够提供连续、实时的环境信息以及高稳定性和灵敏度等特点。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题来源、目的和意义
• 1.2 国内外环境监测现状
• 1.3 无线传感器网络的国内外研究现状以及发展趋势
• 1.3.1 无线传感器网络国内外研究现状
• 1.3.2 无线传感器网络发展趋势
• 1.4 课题的研究内容
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络及环境监测概述
• 2.1 无线传感器网络与环境监测
• 2.1.1 环境监测概述
• 2.1.2 无线传感器网络应用于环境监测的优势
• 2.1.3 无线传感器网络环境监测系统概述
• 2.2 无线传感器网络概述
• 2.3 无线传感器网络的体系结构
• 2.3.1 无线传感器网络的系统组成
• 2.3.2 无线传感器网络节点结构
• 2.4 几种短距离无线通信技术介绍
• 2.5 本章小结
• 第三章 无线传感器网络节点硬件设计
• 3.1 无线通信模块
• 3.1.1 ATmegal281处理器
• 3.1.2 AT86RF230射频芯片的性能和内部结构
• 3.1.3 AT86RF230的外围电路
• 3.1.4 外部扩展接口
• 3.1.5 无线通信模块的电源电路
• 3.2 数据采集模块
• 3.2.1 大气气压传感器MS5534B
• 3.2.2 大气温度、湿度传感器SHT11
• 3.2.3 风速、风向传感器EC9-1
• 3.2.4 降雨量传感器LVYLC-02
• 3.2.5 液位变送器CR-Y20
• 3.3 本章小结
• 第四章 无线传感器网络节点软件设计
• 4.1 无线传感器网络操作系统TinyOS
• 4.1.1 TinyOS操作系统简介
• 4.1.2 nesC语言
• 4.2 无线通信模块软件实现
• 4.2.1 节点数据包
• 4.2.2 AT86RF230的驱动程序设计
• 4.2.3 节点应用程序的设计
• 4.3 数据采集模块软件实现
• 4.3.1 SHT11温湿度采集程序设计
• 4.3.2 MS5534B大气压采集程序设计
• 4.3.3 风速与风向采集程序设计
• 4.3.4 降雨量和水位深度采集程序设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 环境监测软件设计
• 5.1 软件开发环境介绍
• 5.1.1 LabVIEW概述
• 5.1.2 MoteWorks软件平台简介
• 5.2 监测软件结构
• 5.3 监测软件开发的关键技术
• 5.3.1 数据格式
• 5.3.2 XServe中间件服务器
• 5.3.3 数据的解析
• 5.3.4 程序流程图和Ⅵ程序框图
• 5.4 监测软件功能介绍
• 5.5 本章小结
• 第六章 实验测试结果
• 第七章 结束语
• 7.1 总结
• 7.2 前景展望
• 致谢
• 参考文献