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《西北师范大学》 2016年
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基于ZigBee的生态水文数据采集系统节点设计

胡升升  
【摘要】:随着传感器网络技术与通信技术的发展,生态水文数据采集系统不断向着智能化、标准化、网络化和信息化的方向发展。“黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验”(Hi-WATER)是以黑河流域已有观测系统为基础,联合多学科、多机构、多项目的科研人员,于2012~2015年在黑河流域开展的一次卫星和航空遥感及地面观测互相配合的多尺度综合观测试验。本文研究了整个生态水文数据采集系统网络总体方案,以ZigBee技术为核心,搭建实验室采集系统,重点对节点部分进行设计,试图解决观测网络底层各节点的生态水文数据采集问题,以期为联合试验提供真实可靠的观测数据。首先,以ZigBee网络设计方案为基础,介绍了系统硬件的整体设计,展开说明了硬件设备选型和各节点模块的构成部分,给出了核心部分的电路原理图。其次,针对系统的特点及其所处环境,给出系统软件设计,重点介绍了ZigBee组网设计,对各节点模块的软件部分进行了详细说明,对ZigBee网络进行了优化,引入mZig技术来解决包冲突问题,采用Qt进行上位机软件开发,使系统功能更加完备。最后,介绍了系统的互联测试及结果,主要包括ZigBee组网实验和无线传输质量检测,从硬件到软件对本设计的整体进行联机测试,结果表明系统能够稳定可靠运行。本设计的创新在于将ZigBee技术应用到生态水文领域,并对ZigBee网络进行优化,分析包冲突的原理并给出相应解决方案,从而提高ZigBee技术的通信效率,完成本设计的预定目标。
【关键词】:无线传感器网络 ZigBee技术 生态水文数据 mZig
【学位授予单位】:西北师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P332;TN92
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-8
  • 第1章 绪论8-13
  • 1.1 研究背景及其意义8-10
  • 1.1.1 研究背景8-9
  • 1.1.2 研究意义9-10
  • 1.2 国内外研究现状10-11
  • 1.2.1 ZigBee技术的国内外研究现状10
  • 1.2.2 生态水文数据采集系统现状10-11
  • 1.3 论文主要内容及章节安排11-13
  • 第2章 生态水文数据采集系统网络方案设计13-20
  • 2.1 生态水文传感器观测网络整体结构13-15
  • 2.2 ZigBee技术及网络拓扑结构15-18
  • 2.2.1 ZigBee技术概述15-16
  • 2.2.2 ZigBee技术的网络拓扑16-18
  • 2.3 节点设计部分总体布局18-19
  • 2.4 本章小结19-20
  • 第3章 系统硬件设计20-29
  • 3.1 硬件设备选型20-21
  • 3.2 ZigBee网络各节点设计21-24
  • 3.2.1 协调器节点设计21-22
  • 3.2.2 路由节点模块22-23
  • 3.2.3 终端节点模块23-24
  • 3.2.4 RF无线收发模块24
  • 3.3 传感器选型及其接口电路设计24-26
  • 3.3.1 传感器选型24-26
  • 3.4 电源模块和显示模块26-28
  • 3.4.1 电源模块电路26-27
  • 3.4.2 显示电路27-28
  • 3.5 本章小结28-29
  • 第4章 系统软件设计与ZigBee网络优化29-42
  • 4.1 软件开发平台搭建29-30
  • 4.2 ZigBee组网设计30-32
  • 4.2.1 Z-Stack协议栈及其应用31
  • 4.2.2 OSAL系统的移植与执行31-32
  • 4.3 ZigBee网络各节点软件设计32-37
  • 4.3.1 协调器节点软件设计33-35
  • 4.3.2 终端节点和路由节点软件设计35-37
  • 4.4 ZigBee网络优化37-40
  • 4.4.1 ZigBee网络包冲突问题37-38
  • 4.4.2 ZigBee网络包冲突解决方案38-40
  • 4.5 上位机软件设计40-41
  • 4.6 本章小结41-42
  • 第5章 系统互联及测试结果42-50
  • 5.1 ZigBee组网实验及测试结果42-44
  • 5.1.1 串口透传实验42-43
  • 5.1.2 抓包测试与协议捕捉43-44
  • 5.2 温湿度数据采集与显示实验及结果44-46
  • 5.3 误包率和无线传输质量实验及其结果46-48
  • 5.4 系统互联集成测试及其结果48-49
  • 5.5 本章小结49-50
  • 第6章 总结与展望50-52
  • 参考文献52-54
  • 附录A Qt上位机软件部分代码54-57
  • 攻读学位期间的研究成果57-58
  • 致谢58

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