基于ZigBee无线传感器网络的污水实时监测系统的研究与实现

摘要

随着人民生活水平的提高和可持续发展战略的需要，污水处理越来越受到社会的重视。污水处理既可以起到环保作用，又可以实现水的重复利用，节约水资源。为了提高污水处理的质量和效率，同时节省人力、物力，设计一套污水处理自动化监测系统是十分必要的。
　　 传统的污水指标监测方法主要有两种：一种是手工监测，另一种是基于现场总线或以太网的监测系统。手工监测的时间覆盖率低，样品缺乏科学性和代表性，难以真实反映污水处理过程中水质的连续变化情况；而基于现场总线或以太网的监测系统具有成本高、扩展性差、设备维护不方便等缺点。鉴于此，本设计中摒弃了传统的污水指标监测方法，以究州市太阳纸业污水处理厂为研究对象，通过对太阳纸业污水处理厂实地考察，结合无线传感器网络的监测理论，采用ZigBee技术设计了一套低成本、低功耗、易于维护的污水指标实时监测系统，极大的减少了施工工作量。该系统用于实现污水指标的实时监测，为污水的达标排放提供参考依据。同时监测结果还能够反映污水处理系统各个组成部分的运行状况，为企业管理人员制定生产经营策略提供依据，有利于提高企业的管理水平。
　　 本课题对无线传感器网络监测系统的搭建、运行进行了深入的研究，并设计了监测系统的硬件和软件部分，实现了污水指标的数据采集、数据通信和数据显示功能。同时对传感器节点和路由节点的硬件和软件进行了低功耗设计，保证传感器网络具有较长的生命周期。
　　 为了便于工作人员能够实时监测污水指标，本课题利用NI公司的Labview软件编写了简单的上位机软件。上位机软件不仅实现了数据的实时显示，而且可以保存历史数据以供今后数据的分析。
　　 本监测系统已在兖州市太阳纸业污水处理厂投入运行，运行效果良好，达到了预期的监测目标，具有很好的经济和社会意义。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

符号说明

第一章 绪论

1.1 课题背景及实际意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题实际意义

1.2 目前国内外发展状况

1.2.1 国内外污水监测发展状况

1.2.2 国内外无线传感器网络发展状况

1.3 课题概述和章节安排

1.4 本章小结

第二章 无线传感器网络理论

2.1 无线传感器网络结构及其特点

2.1.1 无线传感器网络的架构

2.1.2 无线传感器网络的传感器节点结构

2.1.3 无线传感器网络协议栈

2.1.4 无线传感器网络的特点

2.2 ZigBee技术

2.2.1 ZigBee技术概述

2.2.2 ZigBee节点类型及网络拓扑结构

2.2.3 ZigBee技术的应用范围

2.3 ZigBee协议栈分析

2.3.1 ZigBee服务原语

2.3.2 ZigBee协议栈的体系结构

2.3.3 ZigBee协议栈各层的简介

2.4 本章小结

第三章 ZigBee无线传感器监测网络硬件系统研究与实现

3.1 基于ZigBee技术的污水实时监测硬件系统解决方案综述

3.1.1 设计内容及要求描述

3.1.2 监测系统总体结构

3.2 节点电路设计

3.2.1 节点硬件方案综述

3.2.2 处理器单元电路设计

3.2.3 电源电路设计

3.2.4 电池电压监测电路设计

3.2.5 USB通信电路设计

3.2.6 存储器电路设计

3.2.7 实时时钟电路设计

3.3 传感器电路设计

3.3.1 污水超声波液位传感器电路设计

3.3.2 pH值传感器测量电路设计

3.3.3 溶解氧(DO)传感器测量电路设计

3.3.4 明渠流量传感器电路设计

3.4 硬件电路设计的问题及解决方法

3.5 本章小结

第四章 ZigBee无线传感器监测网络软件系统研究与实现

4.1 Zigbee2006协议栈Z-Stack软件结构分析

4.2 基于Z-Stack软件的污水监测网络的网络层设计

4.2.1 网络拓扑结构设计

4.2.2 网络容量、路由深度等网络参数设计

4.2.3 协调器节点构建网络流程

4.2.4 其它节点加入网络流程

4.3 基于Z-Stack软件的污水监测网络的应用层设计

4.3.1 基于Z-Stack软件的污水监测网络的应用层设计概述

4.3.2 通信数据格式设计

4.3.3 协调器节点应用层程序设计

4.3.4 路由节点应用层程序设计

4.3.5 传感器节点应用层程序设计

4.4 客户端软件的设计

4.5 本章小结

第五章 系统测试与分析

5.1 测试综述

5.2 第一阶段测试

5.2.1 测试平台

5.2.2 测试结果及分析

5.3 第二阶段测试

5.3.1 测试平台

5.3.2 测试结果及分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 相关工作展望

6.3 本章小结

附录一 主要程序

附录二 污水监测现场图片

参考文献

致谢

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