面向水环境监测的WSN网关与交互系统设计

摘要

水环境监测是水资源管理与保护的重要手段，我国水资源紧缺、水污染严重，如何高效、实时地获取水环境参数，研究开发水环境监测新方法，已成为水环境管理与保护的一项重要任务。本文在国家九七三课题的资助下，认真研究国内外相关技术发展现状，提出了一套面向水环境监测的无线传感器网络(以下简称WSN)网关与交互系统的设计方法，可以应用于水环境传感数据的远程传输，具有高效、稳定、可靠的特点。
　　 在综合考虑WSN网关性能、功耗、成本等基础上，本文采用当前流行的ARM系列微处理器芯片LPC2106，结合GPRS模块MC39i与其他外部电路实现无线传感器网络网关的硬件设计。采用嵌入式实时操作系统μ C/OS-II，TCP/IP协议栈LwIP构建网关软件开发平台，设计多任务的划分方法与具体实现，实现了利用GPRS模块进行数据的可靠传输以及链路维护与节能休眠等功能。
　　 针对水环境监测中数据的突发性强、流量不稳定、单包数据量小等特点并充分考虑无线网络带宽，设计了一种具有改进型Nagle算法的TCP协议。通过仿真和实验验证了该改进算法在保证传输可靠性的同时，可以明显提高无线信道的利用率并可大幅降低系统能耗。
　　 本文的最后介绍了水环境监测交互系统的VC6.0下设计方法，通过网络通信、数据解析、界面显示等模块的协同工作使系统实现了远程无线传感器网络信息的界面化实时显示。系统利用ADO技术实现了数据库相关模块的设计，为使用者的数据维护工作提供了便利，同时提高了系统的安全性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 论文的研究背景及研究意义

1.1.1 论文的研究背景

1.1.2 论文的研究意义

1.2 国内外水环境监测技术研究概况

1.3 相关技术介绍

1.3.1 M2M技术与无线传感器网络技术

1.3.2 嵌入式系统技术

1.4 本文研究内容及论文结构

2 嵌入式WSN网关设计

2.1 网关总体结构设计

2.1.1 网关硬件结构设计

2.1.2 网关软件结构设计

2.2 WSN网关硬件电路设计

2.2.1 嵌入式处理器选型与相关电路设计

2.2.2 GPRS通信模块选型与外围电路设计

2.2.3 PCB设计

2.3 网关嵌入式软件平台

2.3.1 嵌入式实时内核μC/OS-Ⅱ简介

2.3.2 μC/OS-Ⅱ在LPC2106上的移植

2.3.3 嵌入式TCP/IP协议栈LwIP

2.3.4 LwIP在μC/OS-Ⅱ上的移植

2.4 系统任务设计

2.4.1.系统的任务划分

2.4.2 初始化任务设计

2.4.3 LwIP任务与链路层任务设计

2.4.4 应用层任务设计

3 基于改进Nagle算法的WSN网关传输层协议设计

3.1 TCP/IP传输层协议分析与实现

3.1.1 TCP/IP传输层协议比较

3.1.2 TCP协议的嵌入式实现方法

3.2 Nagle算法及改进策略

3.2.1 Nagle算法及其实现方法

3.2.2 Nagle算法的改进

3.3 改进Nagle算法的嵌入式TCP协议仿真

3.3.1 NS-2仿真器介绍与仿真环境的构建

3.3.2 NS-2下TCP/Nagle的实现

3.3.3 仿真结果的性能指标分析

3.4 改进Nagle算法的实验测试与分析

4 交互系统软件设计

4.1 交互系统软件体系结构设计

4.2 交互系统软件的模块化设计

4.2.1 交互系统界面设计

4.2.2 通信模块设计

4.2.3 数据解析模块设计

4.3 交互系统的数据库设计

4.3.1 ADO简介

4.3.2 数据库访问模块设计

4.3.3 系统的用户鉴权模块设计

结 论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢