无线传感器网络在新疆煤田中的研究与应用

论文摘要

无线传感器网络在国家安全、国民经济等各方面有着广泛的应用前景。其中,大面积环境监测是无线传感器网络应用的重要领域。本文将无线传感器网络应用到新疆煤田的火灾监测中,迈出了从实验室走向大规模实际应用的一步。在此过程中,从监测现场到控制中心的远程数据传输,和传感器节点间有效的通信,是无线传感器网络能否真正进入实际应用的重要环节。论文对远程数据传输方式进行了分析之后,确定了利用现有移动网的传输方案。深入分析了以处理器ATmega128L、射频芯片CC2420、温湿度传感器SHT10以及GPRS模块SIM300为核心的无线传感器网络的系统结构。通过对ATmega128L进行编程,开发了手机短信激活GPRS连接的程序,并使GPRS模式和GSM模式之间能够切换、功能互补,实现了无线传感器的双路（GPRS模式与GSM模式）远程数据传输,增强了远程数据传输的稳定性和可靠性。完成的数据传输系统在新疆煤田火灾监测中通过了实地测试,系统运行准确,实时性强。进一步地,为了保证网络节点间的有效通信,论文对直接影响网络通信质量的天线进行了改进。现有节点标配了单极子天线和贴片天线,标称通信距离100-200 m,增益1～2 dB。新疆煤田火灾监测要求的传感器节点空间采样间隔为30m,要求节点是掩埋式的、天线伪装后搁置在地表。由于地表对电磁波的吸收作用,使通信距离急剧下降到5 m左右。另一方面,GPRS模块天线通常采用单极子天线和微带天线,增益为2 dB～3 dB,基站天线增益约为10dB,模块和基站天线增益的不相等使得模块节点的布置受到限制。本文对无线传感器一般节点天线和GPRS模块天线进行了改进,研制了工作在2.4 GHz和GSM1800 MHz频段的短加载螺旋天线（SLH）。其中一般节点SLH天线的中心频率为2.45 GHz、回波损耗-32.86 dB、带宽160 MHz、最大增益为11.174 dB;GPRS模块SLH天线中心频率为1.72 GHz、回波损耗-39.9dB、带宽240 MHz,最大增益11.853dB,与基站天线增益相当,解决了彼此通信距离不对等的问题,增强了网络的远程延伸能力。测试结果表明,在不增加发射功率的情况下,SLH天线将原有的一般节点到汇聚节点通信距离增加了10倍左右,将GPRS模块到基站之间的通信距离增加了5倍左右,提高了无线传感器网络的覆盖能力和可靠性,为无线传感器网络在大面积监测中的推广应用打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 无线传感网络的研究综述
• 1.3 螺旋天线的发展回顾
• 1.4 本论文的主要内容和结构
• 第二章 无线传感器网络的远程数据传输
• 2.1 无线传感网络的系统组成及主要特征
• 2.1.1 无线传感器网络系统
• 2.1.2 无线传感器网络的特征
• 2.1.3 无线传感器网络的拓扑
• 2.2 系统硬件结构
• 2.2.1 ATmega128处理器
• 2.2.2 CC2420射频收发芯片
• 2.2.3 SIM300模块
• 2.2.4 数字温湿度传感器SHT10
• 2.2.5 RS232串口
• 2.3 系统软件设计
• 2.3.1 系统工作流程
• 2.3.2 串口初始化
• 2.3.3 SIM300设置及相关的AT指令
• 2.3.3.1 GPRS模式和SMS模式
• 2.3.3.2 相关AT指令
• 2.3.4 数据传输程序设计
• 2.3.4.1 GSM连接和GPRS连接的建立
• 2.3.4.2 短信指令的解析
• 2.3.4.3 短信指令判断与相应功能的实现
• 2.3.4.4 定时激活GPRS
• 2.3.4.5 Text和PDU的切换
• 2.4 系统测试
• 2.4.1 测试平台的搭建
• 2.4.2 测试结果及分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 短加载螺旋天线理论基础
• 3.1 天线的主要电参数
• 3.1.1 天线的方向图及有关参数
• 3.1.2 天线的效率
• 3.1.3 天线的增益
• 3.1.4 天线的极化特性
• 3.1.5 天线的频带宽度
• 3.1.6 天线的输入阻抗与驻波比
• 3.2 螺旋天线设计理论基础
• 3.2.1 天线结构
• 3.2.2 法相模螺旋天线
• 3.2.3 轴向模螺旋天线
• 3.3 短加载螺旋天线（SLH）
• 3.3.1 SLH天线的原理
• 3.3.2 SLH天线的基本结构
• 3.4 Ansoft HFSS软件
• 3.4.1 Ansoft HFSS的应用方向
• 3.4.2 Ansoft HFSS的原理及特点
• 3.4.3 Ansoft HFSS的使用方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 短加载螺旋天线（SLH）的设计与仿真
• 4.1 短加载螺旋天线的总体设计
• 4.1.1 设计目标
• 4.1.2 SLH天线设计
• 4.1.3 SLH天线的仿真
• 4.1.3.1 端口激励场的设置
• 4.1.3.2 边界的设置
• 4.1.3.3 求解参数的设置
• 4.2 SLH天线各部尺寸与性能仿真分析
• 4.2.1 天线增益与参数N、R的关系
• 4.2.2 天线增益与d的关系
• 4.2.3 阻抗匹配与h的关系
• 4.2.4 输入阻抗与参数a、b的关系
• 4.3 一般节点SLH天线实物与性能测试
• 4.4 GPRS模块SLH天线仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 附录 经由GSM的无线传感器网络远程数据传输系统
• 1 无线传感器监测系统的总体结构设计
• 2 无线传感器温度监测系统的具体实施
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文和科研情况