ZigBee和GPRS技术在无线水文监测系统中的应用研究

摘要

水文监测技术是水利水文信息化的重要基础，它为水利工程的安全运行提供了保障，在防灾减灾、水资源科学调度等方面发挥着极其重要的作用。为了满足水文监测自动化、网络化的需求，本课题结合ZigBee技术和GPRS技术的特点和优势，提出了一种新的设计方案，设计和实现了基于ZigBee和GPRS技术的无线水文监测系统。 本文根据无线传感器网络的基本理论和水文监测系统的实际需求，给出了系统的整体设计方案，对系统的硬件和软件进行了详细的分析和设计。系统的节点包括网络协调器节点和传感器终端节点。网络协调器节点采用高性能的ARM7微控制器LPC2210，并移植了嵌入式μC/OS-Ⅱ操作系统和ZigBee协议栈SMAC，搭建了软件开发平台。系统在该软件开发平台的基础上，重点分析了操作系统下多任务应用程序的开发，根据软件设计流程给出了关键程序流程图和部分源代码。系统在最后给出了ZigBee在水文监测系统中的应用实例，选用感应式数字水位传感器构建传感器终端节点，分析了终端节点的软件设计，并对该应用实例进行了实验分析。 系统将各个水文监测终端组成测量网络，实现ZigBee无线组网，通过ZigBee网络协调节点以GPRS方式与监控中心通信，从而构建一个基于ZigBee和GPRS的无线水文监控系统。本系统能够实现ZigBee和GPRS的优势互补，实现水文数据短距离采集与数据的远程传输相结合，大大节省了系统的成本。经实验验证，本系统通讯距离满足大部分水文监测需求，具有高的可靠性，能方便的实现水文监测的网络化。将ZigBee和GPRS相结合，来实现水文的远程监测是一个非常理想的解决方案，对水文监测的发展有着非常重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1选题的背景和意义

1.2国内外水文监测技术发展现状

1.3水文监测系统中几种常用无线组网技术

1.3.1 GPRS技术

1.3.2 GSM技术

1.3.3数传电台

1.3.4 ZigBee技术

1.4系统的可行性分析

1.5论文的结构安排

第二章 ZigBee协议研究

2.1 IEEE 802.15.4 标准

2.1.1 PHY层规范

2.1.2 MAC层规范

2.2 ZigBee协议标准

2.2.1 ZigBee协议栈架构

2.2.2 ZigBee中的设备

2.2.3 ZigBee网络拓扑

2.3本章小结

第三章 系统方案设计

3.1系统需求分析

3.1.1系统功能需求分析

3.1.2系统性能需求分析

3.2系统方案设计

3.2.1系统的组成

3.2.2系统工作原理

3.2.3系统的特点

3.3本章小结

第四章系统硬件设计

4.1网络协调器硬件总统设计

4.2最小系统设计

4.2.1微处理器的选取与介绍

4.2.2电源电路设计

4.2.3时钟电路设计

4.2.4复位电路设计

4.2.5存储器接口电路设计

4.2.6 JTAG电路设计

4.3外围接口电路设计

4.3.1 RS232接口设计

4.3.2 ZigBee无线模块设计

4.3.3 GPRS模块设计

4.4本章小结

第五章 网络协调器节点软件设计

5.1系统软件的整体设计

5.2系统软件开发环境

5.3 gC/OS-Ⅱ操作系统在KPC2210上的移植

5.3.1 μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统介绍

5.3.2 μC/OS-Ⅱ操作系统在LPC2210上的移植

5.4 SMAC协议栈的移植

5.4.1 SMAC 4.1协议栈介绍

5.4.2 SMAC 4.1的移植

5.5系统应用程序设计

5.5.1任务的划分

5.5.2任务间的通讯

5.5.3主控程序设计

5.5.4 Main_Task程序设计

5.5.5 ZigBee数据处理任务设计

5.5.6 GPRS发送任务设计

5.5.7串口中断设计

5.5.8键盘扫描任务设计

5.6本章小结

第六章ZigBee在水文监测系统中的应用实例

6.1传感器终端节点设计

6.1.1终端节点结构设计

6.1.2水文传感器的选型和工作原理

6.2终端节点程序设计

6.2.1主程序设计

6.2.2水位数据的采集

6.3系统实验与性能分析

6.3.1通信距离测试

6.3.2数据传输丢包率测试

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1本论文所做的工作

7.2本论文的创新点

7.3下一步研究工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文