基于短距离高速无线通信盐度监测系统的设计研究

摘要

本文针对现有的盐度检测仪表在数据通信方面的不足，设计了一个基于短距离高速无线通信的智能盐度检测系统，并构建了一个无线传感器网络，对盐度进行多点检测。
　　 本文设计的基于短距离高速无线通信盐度检测系统包括数据采集、处理单元和无线数据通信单元。在数据采集端，根据电导率法测量盐度的原理，设计了盐度测量电路，并通过Multisim9电路仿真软件对设计的电路进行仿真。由于温度影响溶液的导电性，从而影响盐度的测量值，所以必须对测量值进行温度补偿。为此，设计了一种采用pt100热电阻测量温度的电路。在数据处理时，采用最小二乘法对测量数据进行拟合，并利用Matlab的函数拟合工具得到最佳的函数关系。在数据通信端，设计了基于nRF2401的短距离无线通信模块，实现采集数据的高速无线传输。数据采集单元将采集的盐度和温度数据经过处理后发送到接收端显示，接收端通过RS232总线将数据传到上位机。
　　 在实现了点对点的数据采集与传输之后，本文设计了一种基于查询/回复式的无线传感器网络，该网络由一个监控中心、一个或多个汇聚节点和若干个传感器节点组成。汇聚节点和其覆盖范围内的传感器节点采用星形的网络拓扑结构。监控中心通过汇聚节点向传感器节点发送采集数据命令，传感器节点在收到命令后采集数据并发送给汇聚节点，然后汇聚节点再将数据发送到监控中心，完成节点的数据采集。
　　 实际调试结果表明，本文设计的盐度测量方案，能够实现自动的温度补偿，测量精度较高；基于nRF2401的短距离高速无线通信模块，通信速率最高为1Mbps，通信距离可达60m；基于查询/回复式的无线传感器网络，网络结构简单，数据通信量小，电源能量消耗少，运行稳定，实现了盐度的多点实时检测。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 盐度的概念及其发展演变

1.1.1 克纽森盐度公式

1.1.2 1969年电导盐度定义

1.1.3 1978年实用盐标

1.2 盐度测量方法及影响盐度测量的因素

1.2.1 折射率法

1.2.2 电导率法

1.2.3 比重法

1.2.4 光纤测量的新方法

1.2.5 影响盐度测量的因素

1.3 短距离无线数据通信技术

1.3.1 射频技术

1.3.2 蓝牙技术

1.3.3 Wi-Fi技术

1.3.4 IrDA技术

1.3.5 ZigBee技术

1.3.6 UWB技术

1.4 无线传感器网络技术

1.5 本课题研究的目的和意义

1.6 本论文的内容安排

第2章 数据采集单元的电路设计

2.1 本课题测量盐度的方案

2.2 盐度测量电路

2.2.1 测量电源的设计

2.2.2 线性分压电路和滤波放大电路

2.2.3 整流滤波和差分放大电路

2.3 温度检测电路

2.4 本章小结

第3章 盐度检测系统的标定

3.1 最小二乘法的基本原理和多项式拟合

3.1.1 最小二乘法的基本原理

3.1.2 多项式拟合

3.2 温度的标定

3.3 盐度的标定

3.4 温度补偿的实现

3.4.1 传统的温度补偿方法

3.4.2 利用单片机进行软件补偿

3.5 本章小结

第4章 短距离无线通信模块的软硬件设计

4.1 模块的总体结构设计

4.2 无线通信模块的硬件选型

4.2.1 无线收发芯片的选型

4.2.2 微控制器(MCU)的选型

4.3 无线通信模块的硬件电路设计

4.3.1 射频电路设计

4.3.2 单片机和nRF2401的接口电路

4.3.3 单片机和上位机的接口电路

4.3.4 接收端液晶显示电路

4.3.5 系统电源部分设计

4.4 无线通信模块的软件设计

4.4.1 nRF2401状态配置模块的软件设计

4.4.2 nRF2401数据发送模块的软件设计

4.4.3 nRF2401数据接收模块的软件设计

4.4.4 串口通信模块的软件设计

4.5 射频模块的PCB设计及软件调试方法

4.5.1 在制板时应注意的问题

4.5.2 制板时采取的措施

4.5.3 软件调试

4.6 本章小结

第5章 基于无线传感器网络的盐度监测系统的实现

5.1 无线传感器网络的体系结构

5.1.1 传感器结构

5.1.2 传感器网的体系结构

5.1.3 传感器网的拓扑结构

5.2 无线传感器网络的路由协议

5.2.1 平面结构的传感器网络路由协议

5.2.2 分层结构的传感器网络路由协议

5.3 无线传感器网络MAC协议

5.4 本课题传感器网络体系结构设计

5.5 通信协议设计

5.5.1 工作流程

5.5.2 程序实现及说明

5.6 上位机监测界面的设计

5.7 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

在校期间发表的论文及科研工作

附录