无线传感网的石湖水环境检测系统设计
摘 要 国家经济发展越来越快，水环境破坏变得严重。据了解，之前石湖水源主要来自京杭大运河，由于运河泥沙多、水质差导致石湖水质为劣五类水。所以水环境检测作为水资源管理和水环境环境控制的主要方式之一，具有很重要的作用。目前来说，水环境检测手段有三种：1.人工采集，实验室分析 2.遥感检测 3水生物检测 。这些方法不仅成本昂贵，而且还非常耗时，把水样带到实验室的过程中水质会发生变化。伴随着科学技术的不断发展，无线传感网逐渐走进人们的视线。基于传感网的应用研究越来越多，覆盖的范围也很广,如环境检测、军事运用、健康管理等等。传感网是由大量成本低、消耗低、有计算和通信能力的系统，能够根据石湖水环境完成检测任务的智能系统。所以在此背景下，针对水环境检测的不足之处,本文设计了一个基于传感网的石湖水环境检测系统,对石湖水环境进行检测，设计并制作面向石湖水环境检测的无线传感网络监测节点，节点之间通过ZIGBEE无线通信技术进行数据传输和汇集到基站，再由GPRS技术传到远端数据中心。通过检测系统获取石湖水环境中的值相关数据，达到预期目标，证明系统的可行性。
目 录
第一章 引言 6
1.1课题背景和研究意义 6
1.2 无线传感网的概念，应用和发展 7
1.3 论文安排内容 9
第二章 ZIGBEE协议 11
2.1 ZIGBEE协议的基本结构 11
2.2.1物理层(PHY) 12
2.2.2 媒体访问控制层（MAC） 12
2.2.3网络层（NWK） 12
1.网络层数据实体 12
２.网络层管理实体 13
2.2.4 应用层（APL） 13
第三章 系统总体设计方案 14
3.1检测系统的介绍 14
3.2监测节点的设计要求 14
3.3监测节点设计方案 14
第四章 系统硬件和软件设计 16
4.1 硬件部分设计 16
4.1.1电源管理模块 16
4.1.2控制器模块 16
4.1.3无线通信模块 17
4.1.4GPS模块 17
4.1.5时
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
钟模块 17
4.1.6水温PH值采集模块和外部存储模块 17
4.1.7GPRS模块 17
4.2软件部分设计 17
第五章 实验测试与分析 19
第六章 总结 20
参考文献 20
致谢 21
第一章 引言
1.1课题背景和研究意义
水是生命之源。现在的人们越来越追求物质生活的享受,而忽略了环境问题对人们的影响。水环境是构成环境的基本要素之一，是人类社社会赖以生存的基础，但由于过去人类对水资源的索取以及滥用，水环境的污染物已经超过她自净能力，所以导致水体逐渐污染，水环境不断地恶化。随着社会经济的高速发展和人类活动影响的加剧，我国当前正面临严重的水环境问题，包括辽河、淮河、黄河，甚至水污染已经成为制约我国发展的障碍。1972年，联合国就发出警告，水将导致严重的社会危机。
拥有3.6平方公里水面的石湖，是太湖的一方内湖;它的西侧便是上方山国家森林公园，山湖相邻，被誉为镶嵌在苏州城区的“绿肺”。如今的石湖风景区已跻身4A级景区，令人倍感遗憾的是，这里的水质仍然只能归于劣五类。如何让石湖水重归清澈，是无数苏州人的共同期盼
为了能够及时获取石湖水环境数据参数,我们应该开发出有效的水环境检测的系统,从而能够高效智能化的获取数据。目前来说,采集水环境数据依然以人工采集为主。一些偏远河流的数据采集工作更是难以人工开展,因此,开发出有效的监测系统是我们的当务之急。
随着科学技术不断发展,无线传感网被人们所熟知，基于无线传感网络的应用也越来越多,涵盖范围也非常广泛,由最初的军事系统的应用逐步渗透的生活中的各个方面,如环境监测、健康管理等。现在来看水环境检测方法还存在着很多的不足之处，不能在规模大并且复杂的水环境下进行有效的检测。
基于无线传感网这个背景,本文提出了基于传感网的石湖水环境监测系统,包括长距离和短距离两大通信场景。对石湖水质中的PH值，水温和浑浊度进行检测。该系统适用于无人值守、长距离传输等应用环境,借助分布式数据采集方式，基于GPRS通过无线网络实现监测数据的传输，降低了对单个传感器的精度要求。该系统具有成本低，配置灵活，消耗低的特点，对水环境变化的检测具有极大的作用。
1.2 无线传感网的概念，应用和发展
1.2.1无线传感网的概念?
简单说来，就是由监测区域内大量传感器节点组成，负责感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象，通过无线通信方式组成的网络系统，并发送给监测者。
无线传感器网的基3个基本要素为传感器、感知对象和观察者。?无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是无线传感网的基本功能。传感器由感知单元、传输单元、存储单元、电源四个部分组成，完成信息采集、存储和计算后，传给观察者。感知对象是观察者的监测目标，也就是无线传感网的检测的对象。观察者是信息的接收应用者。
1.2.2无线传感网的系统结构和特点
系统结构
图1 无线传感器的系统结构
无线传感网系统结构的如图1所示。在传感器网络中，监测区域各个地方都部署节点，除了检测测特定的对象，还进行计算和互相之间的网络连接。传感器网络具有自组织的功能，能通过自组织方式组成网络。传感器网络节点集成了处理器模块、无线传输模块、传感器模块和电源模块组成，如图2。
图2 无线传感器节点组成
。单个节点形成传输信息的网络。每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关，通过网络把感测数据发送到数据处理基站，基站通过因特网。最后采集到的数据经过分析处理发送给终端用户。
电源是传感器节点的重要组成部分，能提供工作所必须的能源，考虑到传感器使用的寿命，可以使用太阳能电池。节点通过通信路由协议直接将数据传给远基站或节点；数据中转站完成数据的采集之后，要接收靠近的节点的数据，数据发给基站或节点
?特点??????
无线传感网具有许多区别于无线局域网等无线网络的显著特征。?
①规模大 在付费范围很广的监测区域内，需要部署大量甚至成千上万的传感器节点，能获得更大的信噪比，分布式处理能提高监测的精确度。减少盲区?
②自组式网络 传感节点具有自组式功能，能自行配置组成网络系统
③可靠性差。传感器节点通过随意部署在指定的环境，维修不是很方便，如果出现损坏，节点之间可以互相协调，保障整体系统能够有效的工作。?
④传感器节点的能力有限。传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力都是十分有限的。?节点可以随机互补
⑤应用相关。无线传感网通过感知世界获得来自外界的信息。由于应用和信息不同，无线传感网不能像因特网有通信协议平台。对网络系统的需求也不一样，硬软件系统、通信协议都有很大的差别。不断变化的外界环境会严重影响系统功能，?所以要求传感器节点能适应环境的变化，不断调整自身的工作状态和网络的拓扑结构。??
目 录
第一章 引言 6
1.1课题背景和研究意义 6
1.2 无线传感网的概念，应用和发展 7
1.3 论文安排内容 9
第二章 ZIGBEE协议 11
2.1 ZIGBEE协议的基本结构 11
2.2.1物理层(PHY) 12
2.2.2 媒体访问控制层（MAC） 12
2.2.3网络层（NWK） 12
1.网络层数据实体 12
２.网络层管理实体 13
2.2.4 应用层（APL） 13
第三章 系统总体设计方案 14
3.1检测系统的介绍 14
3.2监测节点的设计要求 14
3.3监测节点设计方案 14
第四章 系统硬件和软件设计 16
4.1 硬件部分设计 16
4.1.1电源管理模块 16
4.1.2控制器模块 16
4.1.3无线通信模块 17
4.1.4GPS模块 17
4.1.5时
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
钟模块 17
4.1.6水温PH值采集模块和外部存储模块 17
4.1.7GPRS模块 17
4.2软件部分设计 17
第五章 实验测试与分析 19
第六章 总结 20
参考文献 20
致谢 21
第一章 引言
1.1课题背景和研究意义
水是生命之源。现在的人们越来越追求物质生活的享受,而忽略了环境问题对人们的影响。水环境是构成环境的基本要素之一，是人类社社会赖以生存的基础，但由于过去人类对水资源的索取以及滥用，水环境的污染物已经超过她自净能力，所以导致水体逐渐污染，水环境不断地恶化。随着社会经济的高速发展和人类活动影响的加剧，我国当前正面临严重的水环境问题，包括辽河、淮河、黄河，甚至水污染已经成为制约我国发展的障碍。1972年，联合国就发出警告，水将导致严重的社会危机。
拥有3.6平方公里水面的石湖，是太湖的一方内湖;它的西侧便是上方山国家森林公园，山湖相邻，被誉为镶嵌在苏州城区的“绿肺”。如今的石湖风景区已跻身4A级景区，令人倍感遗憾的是，这里的水质仍然只能归于劣五类。如何让石湖水重归清澈，是无数苏州人的共同期盼
为了能够及时获取石湖水环境数据参数,我们应该开发出有效的水环境检测的系统,从而能够高效智能化的获取数据。目前来说,采集水环境数据依然以人工采集为主。一些偏远河流的数据采集工作更是难以人工开展,因此,开发出有效的监测系统是我们的当务之急。
随着科学技术不断发展,无线传感网被人们所熟知，基于无线传感网络的应用也越来越多,涵盖范围也非常广泛,由最初的军事系统的应用逐步渗透的生活中的各个方面,如环境监测、健康管理等。现在来看水环境检测方法还存在着很多的不足之处，不能在规模大并且复杂的水环境下进行有效的检测。
基于无线传感网这个背景,本文提出了基于传感网的石湖水环境监测系统,包括长距离和短距离两大通信场景。对石湖水质中的PH值，水温和浑浊度进行检测。该系统适用于无人值守、长距离传输等应用环境,借助分布式数据采集方式，基于GPRS通过无线网络实现监测数据的传输，降低了对单个传感器的精度要求。该系统具有成本低，配置灵活，消耗低的特点，对水环境变化的检测具有极大的作用。
1.2 无线传感网的概念，应用和发展
1.2.1无线传感网的概念?
简单说来，就是由监测区域内大量传感器节点组成，负责感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象，通过无线通信方式组成的网络系统，并发送给监测者。
无线传感器网的基3个基本要素为传感器、感知对象和观察者。?无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是无线传感网的基本功能。传感器由感知单元、传输单元、存储单元、电源四个部分组成，完成信息采集、存储和计算后，传给观察者。感知对象是观察者的监测目标，也就是无线传感网的检测的对象。观察者是信息的接收应用者。
1.2.2无线传感网的系统结构和特点
系统结构
图1 无线传感器的系统结构
无线传感网系统结构的如图1所示。在传感器网络中，监测区域各个地方都部署节点，除了检测测特定的对象，还进行计算和互相之间的网络连接。传感器网络具有自组织的功能，能通过自组织方式组成网络。传感器网络节点集成了处理器模块、无线传输模块、传感器模块和电源模块组成，如图2。
图2 无线传感器节点组成
。单个节点形成传输信息的网络。每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关，通过网络把感测数据发送到数据处理基站，基站通过因特网。最后采集到的数据经过分析处理发送给终端用户。
电源是传感器节点的重要组成部分，能提供工作所必须的能源，考虑到传感器使用的寿命，可以使用太阳能电池。节点通过通信路由协议直接将数据传给远基站或节点；数据中转站完成数据的采集之后，要接收靠近的节点的数据，数据发给基站或节点
?特点??????
无线传感网具有许多区别于无线局域网等无线网络的显著特征。?
①规模大 在付费范围很广的监测区域内，需要部署大量甚至成千上万的传感器节点，能获得更大的信噪比，分布式处理能提高监测的精确度。减少盲区?
②自组式网络 传感节点具有自组式功能，能自行配置组成网络系统
③可靠性差。传感器节点通过随意部署在指定的环境，维修不是很方便，如果出现损坏，节点之间可以互相协调，保障整体系统能够有效的工作。?
④传感器节点的能力有限。传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力都是十分有限的。?节点可以随机互补
⑤应用相关。无线传感网通过感知世界获得来自外界的信息。由于应用和信息不同，无线传感网不能像因特网有通信协议平台。对网络系统的需求也不一样，硬软件系统、通信协议都有很大的差别。不断变化的外界环境会严重影响系统功能，?所以要求传感器节点能适应环境的变化，不断调整自身的工作状态和网络的拓扑结构。??
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