野外WSN监测系统能量及状态管理系统实现

摘要

为了对冻土区进行土质等研究，一个重要的条件就是需要获取该区域的环境参量数据信息，以前所用的方式大都是由人亲自去现场测量。冻土的土壤特性和土质、土壤的冰量、土壤温度等一系列因素有关，是一种对温度非常敏感并且性质极易变化的土体。冻土特性的变化不仅在一定程度上能够反应出气候的变化，而且其对冻土区的铁路、公路有相当严重的损害。为了获取冻土相关特性的信息，都需要对其进行实时检测监控。有效监测冻土能够为研究冻土的土质特性提供基础信息，对于减少因为冻土土质变化造成的地质灾害有一定的实用价值。
　　本论文从青藏铁路监测项目的实际需求出发，以星云测控系统为工程背景，工程实现采用的是基于ZigBee技术的WSN无线传感器网络监测系统。本系统包含三种设备类型，分别是协调器设备、路由设备、终端设备，可以满足野外环境的长期监测需求。WSN节点以TI公司的CC2530为核心，该主控芯片是一款非常适用于野外长期监测的低功耗ZigBee模块。各设备间是通过IEEE802.15.4协议进行自组网进行无线通信。野外WSN监测系统中的能量管理和状态管理是本文的研究重点。能量管理主要是研究供电系统的设计、节点低功耗设计、电源精细管理、电池充电管理、对Android网关、蓝牙模块、模拟开关、有源晶振、AD单元的供电控制。状态管理包括设备状态管理和环境状态管理，设备状态管理是为获取节点设备能够正常工作所需要的信息，包括节点设备的电源电压、网络拓扑、通信信号状态、内部温湿度、外触发等;环境状态管理是为了获取监测区内的环境参量信息，目前主要是监测地温，可衍生其他监测功能如监测水分、气压、降雨、风等。

目录

摘要

1 绪论

1．1 项目背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究综述

1．2．2 国内发展概况

1．2．3 国内外研究总结

1．3 主要研究内容和本文结构安排

1．3．1 本文主要研究内容

1．3．2 论文的结构

1．4 本章小结

2 野外WSN监测系统的总体设计

2．1 野外WSN监测系统的整体结构设计

2．1．1 野外WSN监测系统的设计目标

2．1．2 野外WSN监测系统的方案

2．1．3 系统应达到的主要指标

2．2 ZigBee设备方案选型

2．2．1 芯片方案选型

2．2．2 CC2530介绍

2．3 ZigBee协议介绍

2．3．1 ZigBee协议体系结构

2．3．2 ZigBee技术特点

2．3．3 Z-Stack协议栈概述

2．4 本章小结

3 野外WSN监测系统能量管理的实现

3．1 能量管理结构框图

3．2 电池充电管理设计

3．2 节点的电源电路设计

3．3 节点的低功耗设计

3．3．1 协调器节点低功耗

3．3．2 路由节点低功耗

3．3．3 终端节点低功耗

3．4 Android网关及蓝牙的供电控制

3．4．1 Android网关供电控制

3．4．2 蓝牙模块供电控制

3．4．3 Android及蓝牙供电软件流程

3．5 模拟开关、有源晶振、AD单元的供电控制

3．6 本章小结

4 野外WSN监测系统状态管理的实现

4．1 状态管理结构框图

4．2 地温数据的采集

4．2．1 地温采集硬件框图

4．2．2 温度传感器选型

4．2．3 通道切换方案

4．2．4 AD转换单元

4．3 设备电源电压的测量

4．4 设备内部温湿度的测量

4．5 网络拓扑及通信信号强度的获取

4．6 任务时间及外触发类型的获取

4．7 本章小结

5 野外WSN监测系统验证

5．1 安装现场简略

5．2 网络拓扑及信号强度实验

5．3 电压及温湿度测量实验

5．4 地温数据采集实验

5．5 任务时间实验

5．6 低功耗实验

6 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 展望

附录

参考文献

致谢

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