基于无线网络的堰塞体监测系统研究与设计

摘要

武警水电部队作为一支专业的国家应急救援部队，一直担负着处置各类重大自然灾害的任务，其中堰塞湖的处置又是一种最急、难、险、重的任务。近些年，水电部队成功处置了诸如四川汶川唐家山堰塞湖、云南鲁甸堰塞湖等几起大型险情，但是在处置过程中却一直缺乏对堰塞体进行监测和预警的有效手段，给抢险官兵带来了极大的潜在安全威胁，也制约了部队抢险效益的提高。
　　本文结合武警水电部队处置堰塞湖险情实际，设计了一种基于ZigBee和GPRS的无线网络监测系统，它克服了以往监测系统的缺点，形成了一种布设灵活、性能可靠、数据采集精确、传输时延短的实时监测网络，实现了数据融合、数据存储、数据分析、查询式监控一体化，具有很高的实际应用价值。
　　本文主要分析了堰塞体监测系统的功能和性能需求，构建了系统总体方案；设计了协调器节点、路由节点和终端设备硬件电路，并给出了电路图；研究了ZigBee协议，在掌握其相关理论基础之上，设计了监测系统软件总体工作流程，并分别设计了协调器节点、路由器节点和传感器节点（终端设备）的软件工作流程,同时开发了上位机管理软件；在Cluster-Tree路由基础上，改进了ZigBee网络的树路由算法，提出了ImTRGA算法。
　　在系统的硬件和软件设计完后，在实验室搭建了一个小型的系统测试平台,分别对ZigBee网络的组建、数据的收发和通信质量进行了实验测试。经测试，在复杂的环境下，本文设计的ZigBee无线网络能够实现两个节点之间数据的可靠传输,并且通信距离完全满足堰塞体监测范围的要求，通信质量也很高，符合本文特殊的堰塞体监测应用背景。最后，对ImTRGA算法进行了实验及仿真验证，实验及仿真结果证明ImTRGA算法不但可以节省网络的能耗，而且有效提高了整个网络的实时性，同时避免了在树路由中某一节点损坏后导致后代节点数据无法传输的弊端，大大提高了网络的健壮性。本文设计的系统对于其它泥石流、滑坡等动态监测的场合都有很好的借鉴意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究工作及内容安排

第二章 ZigBee和GPRS无线网络通信技术

2.1 ZigBee概述

2.2 几种近距离无线通信方式的比较

2.3 GPRS通信技术

2.4 堰塞体监测系统总体结构设计

2.5 本章小结

第三章 系统硬件设计与实现

3.1硬件设计基本原则

3.2协调器节点硬件设计

3.3路由器节点和终端设备硬件设计

3.4本章小结

第四章 系统软件框架及上位机软件设计

4.1 软件开发环境

4.2 ZigBee协议

4.3 系统软件框架设计

4.4 上位机软件设计

4.5 系统测试

4.6 本章小结

第五章 Cluster-Tree路由算法研究与改进

5.1 Cluster-Tree路由算法研究进展

5.2 树路由算法

5.3 改进的树路由贪婪算法ImTRGA

5.4 实验分析与仿真验证

5.5 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A ZigBee协调器节点电路图

附录B ZigBee路由节点（终端节点）电路图

附录C ImTRGA算法改进主要代码