无线传感器网络的研究及在应急环境监测中的应用设计

论文摘要

随着我国工农业生产和经济建设的快速发展,环境污染事故,尤其是重大突发性环境污染事故不仅在发生次数上,而且在污染危害程度上均有所增加。突发性环境污染事故的应急监测要求监测数据能实时而有效地采集和传输,以便管理部门能够及时应对各种突发状况,因此实施应急环境监测成了一项社会急需解决的问题。相比较于传统的有线传输网络,无线传感器网络具有铺设方便、移动性强和数据传输安全稳定等优点,可以有效地完成污染源现场数据的采集、传输和处理等任务。本文参考了大量国内外的文献,详细介绍了无线传感器网络的相关知识,特别是对不同路由协议做了仿真分析研究,同时设计了基于无线传感器网络的应急环境监测系统。本文的主要工作和成果如下:（1）设计了一种面向应急环境监测的无线传感器网络节点,硬件电路分别采用C8051F340和XBee-PRO作为主控制芯片和无线传输模块,通过ZigBee协议组建网络,最后从误码率、封包延时、传输距离和能耗等四个方面对节点进行了性能评估。实验结果表明,本文设计的节点具有较小的误码率和封包延时,同时它在传输距离上的优势弥补了能耗上的缺陷,可以满足应急环境监测的需要。（2）按需路由和主动路由是无线传感器网络中最经典的两类路由协议,它们的差别在于是否主动维护路由表,本文对其中的DSDV、DSR和AODV这三种路由协议做了深入的研究,通过仿真实验我们可以看出,DSR和AODV更适合网络拓扑动态变化的环境和大规模的网络,而AODV作为其他两者的综合,在性能上更适合应急环境监测系统。（3）针对应急环境监测系统的要求,开发了污染源数据采集中心,平台主要完成对污染源数据的采集、上传、处理和显示等功能。通过在实验大楼布置一些设备节点,我们实时采集了TVOC、甲醛、二氧化硫和氧气等多个环境变量。随着无线传感器网络的发展,它在其他应用领域的优势会不断地体现出来,把它应用在应急环境监测中是一个十分具有前景的课题,它的实现为日益严重的环境污染监测问题提供了有力的工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器网络的特点
• 1.2.2 无线传感器网络的研究现状
• 1.2.3 无线传感器网络的应用
• 1.2.4 无线传感器网络的发展前景
• 1.3 本文的研究内容和意义
• 1.4 本文的组织结构
• 第2章 面向应急环境监测的无线传感器网络节点设计
• 2.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.2 硬件总体框架
• 2.3 数据采集电路
• 2.4 电源供电电路
• 2.5 无线收发与数据处理电路
• 2.5.1 微控制器
• 2.5.2 无线收发模块
• 2.5.3 XBee-PRO 与C8051F340 的连接电路
• 2.6 节点的软件设计及功能测试
• 2.6.1 传感器节点的网络配置
• 2.6.2 节点的软件设计
• 2.6.3 无线传感器节点数据传输实验
• 2.7 本章小结
• 第3章 无线传感器网络路由协议研究及仿真分析
• 3.1 NS2 网络仿真平台概述
• 3.1.1 NS2 仿真原理及一般过程
• 3.1.2 OTcl 脚本及trace 文件分析
• 3.2 路由协议
• 3.2.1 路由协议分类
• 3.2.2 几种经典的路由协议
• 3.3 路由协议的仿真分析
• 3.3.1 仿真环境设置
• 3.3.2 性能评估
• 3.3.3 路由协议的特点总结
• 3.4 路由协议的优化
• 3.5 本章小结
• 第4章 污染源无线传感器网络数据采集中心
• 4.1 ZigBee
• 4.2 应急环境监测系统数据传输的网络拓扑
• 4.3 污染源数据采集中心设计
• 4.3.1 数据采集中心的功能设计
• 4.3.2 数据采集中心的整体框架
• 4.4 污染源数据采集中心实现
• 4.4.1 串口配置
• 4.4.2 数据解析和设备驱动
• 4.4.3 平台测试方案
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果