基于ZigBee技术的无线水文监测应用研究

论文摘要

水文监测技术是实现水利水文信息化的重要基础，为水利工程安全可靠运行提供重要的保障，在防洪防汛、预测预报等方面发挥着重要的作用。为了能适应当今水文监测智能化、网络化的需求，克服现阶段水文监测存在的困难与缺陷，本文提出了一种基于ZigBee技术的无线水文监测的设计方案。本文根据监测环境的特点及水文监测系统的实际需求，提出了系统的整体设计方案：将布置在监测区域的各个传感器终端节点采集到的水文数据通过ZigBee网络汇聚到网络协调器中，网络协调器再通过GPRS的方式将水文数据上传到监控中心，供监控中心随时作出调控与调度。本课题的主要工作是组建ZigBee测量网络对水文数据进行采集。该网络中的网络节点有网络协调器节点和传感器终端节点，本文分别对这两种节点的硬件和软件进行了分析与设计。这两种节点的硬件结构相似，都以STM32F103ZET6处理器和CC2420无线收发模块为核心构成硬件平台，而不同的是软件开发体系架构。网络协调器节点在硬件平台上移植了μC/OS-II操作系统和ZigBee协议栈MpZBee构成其软件体系架构，重点分析了在操作系统下多任务应用程序的开发，包括建立网络任务、ZigBee数据处理任务、显示任务等。传感器终端节点是集数据采集与路由一体的节点，其软件设计主要针对数据采集、路由算法实现及无线通信等应用程序进行了开发。最后，本文组建了一个小型的星型网络拓扑结构的ZigBee无线网络，模拟水文监测系统的组网实现过程，并对系统的部分功能进行了测试。经实验验证，采用ZigBee技术对水文监测系统进行组网的设计方案具有可行性，能满足水文监测环境的要求及智能网络化的参数测量，具有可靠性高、精度高、功耗低等特点，为其它的工业控制通讯手段提供了参考，具有重要的现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 课题研究综述
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 国内外水文监测系统的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 1.4 本文的章节安排
• 2 ZigBee 协议栈结构及原理
• 2.1 ZigBee 技术综述
• 2.2 ZigBee 协议概述
• 2.2.1 ZigBee 协议栈框架
• 2.2.2 ZigBee 网络设备类型
• 2.2.3 ZigBee 网络拓扑结构
• 2.3 物理层
• 2.3.1 物理层概述
• 2.3.2 物理层的信道分配
• 2.3.3 物理层的帧结构
• 2.4 媒体介质访问层
• 2.4.1 MAC 层概述
• 2.4.2 MAC 子层帧结构
• 2.4.3 数据传输方式
• 2.5 网络层
• 2.5.1 网络层概述
• 2.5.2 网络层帧格式
• 2.6 应用层
• 2.7 本章小结
• 3 路由算法研究
• 3.1 概述
• 3.2 ZigBee 常用路由算法分析
• 3.2.1 ClusterTree（簇树）路由算法
• 3.2.2 AODVjr 路由算法
• 3.2.3 ClusterTree + AODVjr 组合路由算法
• 3.3 路由机制
• 3.3.1 路由表结构
• 3.3.2 路由的建立过程
• 3.4 本章小结
• 4 无线水文 ZigBee 网络方案设计
• 4.1 系统需求分析
• 4.1.1 系统功能需求分析
• 4.1.2 系统性能需求分析
• 4.2 水文监测系统的总体方案设计
• 4.2.1 系统的组成
• 4.2.2 系统的工作模式
• 4.3 本章小结
• 5 ZigBee 网络节点的研究与设计
• 5.1 网络协调器硬件平台设计
• 5.1.1 网络协调器硬件的总体设计
• 5.1.2 处理器模块设计
• 5.1.3 ZigBee 无线通信模块设计
• 5.1.4 电源模块设计
• 5.1.5 其它外围接口电路设计
• 5.2 传感器终端节点硬件平台设计
• 5.2.1 传感器终端节点硬件结构总体设计
• 5.2.2 传感器终端节点硬件设计
• 5.3 网络协调器软件设计
• 5.3.1 网络协调器节点软件总体设计
• 5.3.2 系统软件开发环境
• 5.3.3 μC/OSII 操作系统在 STM32 微处理器上的移植
• 5.3.4 MpZBee 协议栈的移植
• 5.3.5 网络协调器应用程序设计
• 5.4 传感器终端节点软件设计
• 5.4.1 主程序设计
• 5.4.2 水文数据采集程序设计
• 5.4.3 路由算法程序设计
• 5.5 本章小节
• 6 ZigBee 水文监测系统组网实现及系统调试
• 6.1 ZigBee 组网的流程
• 6.1.1 ZigBee 网络的建立
• 6.1.2 ZigBee 节点加入网络
• 6.1.3 ZigBee 节点离开网络
• 6.2 系统调试
• 6.2.1 实验平台搭建
• 6.2.2 建立网络测试
• 6.2.3 数据传输测试
• 6.3 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 附录 A 硬件原理图
• 附录 B 协议栈任务调度子程序流程
• 附录 C ZigBee 数据处理主流程
• 附录 D 网络协调器接收数据流程
• 在学研究成果
• 致谢