基于ZigBee技术的黄河河道冰情多点监测系统的设计与应用研究

摘要

黄河冰凌灾害一直以来都给沿岸人民和国家造成难以估计的损失，因此，探索出一种有效的冰凌灾害预警系统，对我国防灾减灾以及社会可持续发展都具有一定的意义。从2009年开始，论文作者所在课题组采用基于空气、冰与水物理特性差异冰情检测方法在内蒙黄河河道开展冬季冰情定点连续监测工程试验，在单测点冰情连续监测的研究中取得重要突破，获取了监测点的河道冰层生消变化过程数据。但是，由于以往检测系统采用的是单点冰情检测，获得的数据不能全面反映整个河道监测断面或相邻流域的冰情变化，难以满足工程运用的实际需求。针对单点冰情检测暴露出的不足，本论文提出了将ZigBee无线传感器网络技术引入到黄河河道的冰情检测中，并融合了单片机技术、GPRS移动通信技术、计算机技术等多种信息技术，完成了基于Zi gBee技术的黄河河道冰情多点监测系统的设计与应用研究，实现对黄河河道选定断面进行多监测点自动连续冰情检测，为黄河冰凌灾害的监测和预报提供更全面、可靠的冰情数据。
　　 为实现上述技术方案，论文主要涉及到以下五个方面的研究内容:
　　 1.查阅大量的中英文文献，分析总结国内外常用冰情检测方法的应用特点和不足，采用“基于空气、冰与水物理特性差异”的新型冰情检测方法，并在该基础上引入ZigBee无线传感器网络技术，以实现对黄河河道选定断面进行多监测点的自动连续冰情检测和数据的网络化管理功能;
　　 2.针对系统涉及到的两个关键技术，分别对R-T冰层厚度检测传感器的检测原理和ZigBee技术进行了理论研究，并通过对几种常见的短距离无线通信技术的特点进行比较，选择了ZigBee无线通信技术组建现场无线局域网络的设计方案;
　　 3.根据实际工程应用的特点和需求，改进R-T冰层厚度检测传感器的控制电路与结构，并完成黄河河道冰情多点监测系统的硬件电路设计和软件程序的编写任务;
　　 4.基于厦门四信公司的无线数传终端F8114和F8914，完成了系统ZigBee无线网络的组建和GPRS无线远程数据传输;
　　 5.考虑到现场的特殊地理环境及恶劣的工作条件，设计系统控制电路的保温措施以及系统的安装方式，并于2013.1.02将系统安装于内蒙古头道拐水文站附近的黄河河道进行为期两个月的现场试验。
　　 试验过程表明，新研制的黄河河道冰情多点监测系统可实现对黄河河道选定断面进行多监测点自动连续冰情检测，基本完成了预定的设计目标和任务。通过现场试验，对应用过程中存在的不足和问题，提出了改进和完善的建议，为下一步工作积累了丰富的技术经验。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外冰情检测方法研究现状

1．2．1 国内外冰情检测方法

1．2．2 新型冰情检测方法的提出与改进

1．3 课题来源和研究内容

第二章 系统相关技术的可行性研究

2．1 冰层厚度检测传感器的工作原理

2．2 ZigBee技术简介

2．3 ZigBee网络体系结构

2．3．1 ZigBee协议栈

2．3．2 物理层

2．3．3 MAC层

2．3．4 网络层

2．3．5 应用层

2．4 几种常见短距离无线通信技术的比较与选择

2．5 本章小结

第三章 系统硬件电路的设计与实现

3．1 基于ZigBee技术的黄河河道冰情多点监测系统的总体设计

3．1．1 黄河河道冰情多点监测系统总体结构

3．1．2 系统工作原理

3．2 新型R-T冰层厚度检测传感器的研制

3．2．1 传感器硬件电路设计

3．2．2 传感器结构的改进

3．3 智能冰情数据处理仪的设计

3．3．1 微控制器的选择及电路设计

3．3．2 实时时钟电路设计

3．3．3 电源控制电路设计

3．3．4 键盘液晶电路设计

3．3．5 A／D转换电路设计

3．3．6 SD卡存储电路设计

3．3．7 电源监测复位与看门狗电路设计

3．3．8 数据传输控制电路设计

3．4 ZigBee、GPRS无线数传终端模块的选型

3．5 本章小结

第四章 系统软件程序设计

4．1 系统主程序设计

4．2 数据采集模块程序设计

4．2．1 电压采集程序设计

4．2．2 A／D转换程序设计

4．2．3 温度采集程序设计

4．2．4 数据处理算法的选择及设计

4．3 SD卡存储程序设计

4．4 实时时钟程序设计

4．5 ZigBee、GPRS无线数传终端的软件配置

4．5．1 ZigBee网络协调器及GPRS无线数传终端的软件配置

4．5．2 ZigBee路由节点及终端节点的软件配置

4．5．3 远程数据接收

4．6 本章总结

第五章 黄河河道冰情多点监测系统的现场试验与数据分析

5．1 黄河河道冰情多点监测系统的现场安装与调试

5．2 现场试验数据分析与总结

5．2．1 新旧R-T冰层厚度检测传感器的实测数据对比

5．2．2 黄河头道拐河道选定断面的试验数据分析

5．3 本章总结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录1 CPLD译码电路原理图

致谢

攻读学位期间发表的学位论文及获奖情况