基于6LoWPAN技术的气体环境监控系统

摘要

随着大气污染问题的日益加剧，对气体环境监控系统的研究迫在眉睫。物联网技术的兴起使对空气中有害气体的检测更趋于智能化，可彻底实现无人监控下的实时数据监控，节约了大量的人力成本。网络通信技术，传感器技术，嵌入式技术都在无线传感器网络中发挥了重要的作用，逐步走向我们的生活，为我们提供方便。
　　本论文在学习了很多已有的无线传感器网络的相关知识的基础上，阐述了一种基于6LoWPAN技术的无线传感器网络在气体环境监控系统中的应用架构。其中主要分为四大主体部分：节点、协议栈、网关、远程传输。本文研究的核心在于设计并实现了一种气体环境监控系统，成功地将6LoWPAN技术引入其中，具体应用到了大气污染监控系统中，为同行业提供了参考依据。
　　首先，本系统采用了四个监控节点，能够实现气体环境监控信息的感知。各个子节点以STM32微处理器为控制核心，以半导体射频收发芯片AT86RF231为数据发送和接收芯片，同时连接 USB转串口电路、E2PROM电源电路、晶振和复位电路，实现了数据在低功耗下的无线通信传输，构成以 IPv6为通信协议的无线传感器网络。同时外设分别连接四种气体传感器，可检测硫化氢、氨气、二氧化硫、PM2.5/Pm10.0五种大气污染气体。
　　其次，实现了一个6LoWPAN星型网络。通过在各个PAN中移植Contiki操作系统，全面支持下一代通信协议 IPv6在无线个域网中运行。以 IEEE802.15.4标准构成6LoWPAN协议栈，数据报文在6LoWPAN网络中进行低功耗数据传输。
　　再次，嵌入式平台的网关使用，不仅对6LoWPAN无线传感器网络的数据进行汇总，构建了系统网关，还提供了上传客户端应用程序的数据接口。其中网关部分采用CORTEX A8DB开发板为网关开发设备，采用虚拟仪器技术移植到嵌入式平台的方法来进行网关部分的软件开发，节约了界面开发的时间。数据在经过汇总后通过以太网传输至远程监控终端中，在远程监控终端与网关数据接口完成对接后绘制了采样波形图，结合大气环境质量标准，对异常的数据进行报警，通过短信和邮件的方式对检测到的异常数据做出及时反映。
　　最后，在实现了整个气体环境监控系统后，论文完成了相关测试，即对有害气体数据传输的连通性、网关系统传输的连通性、远程传输网络传输信息的连通性三项内容的测试并给出测试结果。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究思路

1.4 论文结构及主要研究内容

第2章 6LoWPAN技术介绍

2.1 IPv4技术与IPv6技术对比

2.2 无线传感器网络中的IPv6技术

2.3 IEEE802.15.4协议

2.4 6Lowpan适配层技术

2.5 本章小结

第3章 气体环境监控系统设计方案

3.1 系统的整体方案

3.2 6LoWPAN节点设计

3.3 传感器及高精度AD转换电路

3.4 网关部分设计

3.5 远程监控终端传输网络系统

3.6 本章小结

第4章 星型拓扑结构的6LoWPAN 网络构建

4.1 6LoWPAN星型网络硬件部分介绍

4.2传感器及AD转换电路

4.3 Contiki操作系统

4.4 对时钟的移植

4.5 驱动程序移植

4.6 6LoWPAN组网

4.7 本章小结

第5章 嵌入式物联网网关及远程监控终端的实现

5.1 嵌入式网关的硬软件方案

5.2 远程监控终端软件设计

5.3 本章小结

第6章 测试数据

6.1 节点通信测试

6.2 系统测试

6.3本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果

致谢