无线传感器网络的太湖水质检测系统设计
无线传感器网络的太湖水质检测系统设计[20200128195525]
【摘 要】
水质监测是水资源管理与保护的重要基础，是保护水环境的重要手段。针对我国水质监测系统存在的问题，本论文设计了基于ZigBee无线传感器网络的水质实时监测系统。在此设计电路完成后，它可实现检验三种参数是否达标，即温度、PH值、浑浊度。其中，对CC2430做了详细的介绍和说明。ZigBee，国内称之为“紫蜂”，与蓝牙、WiFi相似，是一种新兴的廉价的低功耗近距离无线组网通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。目前，ZigBee技术已经广泛应用于近距离传输的无线通信领域，尤其是在工农业控制、医疗卫生方面起着越来越重要的作用。本设计意在通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采用树型网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行温度、PH值、浑浊度的数据进行采集和分析，将此应用于对太湖水质的环境检测和控制当中，避免了有线网络的布线问题和成本问题。本设计设计了一个结构合理的Web应用程序，搭建Web服务器来动态显示传感器终端所采集的太湖水质数据。本文对于自来水、污水处理等其它需要对水质进行动态监测的场合都有借鉴意义。
【摘 要】 1
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】ZigBee；CC2430；无线传感器网络；水质数据采集
一、引 言 3
（一）课题研究的背景 3
（二）课题研究的目的和意义 4
（三）国内外对ZigBee的研究概况 5
（四）论文的主要研究内容 5
二、系统技术概述 6
（一）水质监测系统要求 6
（二）参数的影响及相应传感器工作原理 6
（三）ZigBee概述[7] 7
（四）ZigBee网络基础 10
（五）CC2430芯片[8] 13
三、系统设计 15
（一）系统整体结构 15
（二）系统硬件设计 16
（三）系统软件设计 22
四、系统测试 25
（一）系统测试步骤 25
（二）系统测试结果 25
（三）系统测试预期结果分析 25
五、结 论 26
六、致 谢 27
七、参考文献 28
一、引 言
（一）课题研究的背景
水质监测是水资源环境管理与保护的重要基础，是保护水环境的重要手段之一。对于水质的监测和治理关系到各行各业的生产水平人民的生活水平。随着科学技术的发展，人民物质生活水平不断提高，随之而来的环境污染也不断严重，尤为严重的是水资源污染，就以太湖水质污染为例，不仅影响着环境，也影响着居民的身心健康，同时还影响着国民经济的发展。但是，目前我国的水质监测仍然存在很多问题，一是各级水质监测中心的采样能力不足，监测频率低，水质监测实验室的监测仪器设备老化，大型分析仪器配备不平衡。二是机动监测能力不足，水质分析监测实验室配备数量太少，现场监测能力低。三是自动水质监测数量太少，缺乏自动测报能力，难以获得重点水功能区主要水质监测的实时情况。
信息技术发展日新月异，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。因而，无线通信技术应运而生。无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线城域网、无线广域网、无线个人域网和无线局域网。无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术主要有：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等。
在农业控制管理、工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域中，蓝牙（Bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，只有10米，可以参与组网的节点比较少。WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。
相比之下ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点：
a) 低成本：ZigBee模块的初始成本低，并且ZigBee协议是免专利费的，采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)，免执照频段。
b) 低功耗：由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用。
c) 速率低：ZigBee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供2.4GHz、915 MHz和868 MHz的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
d) 时延短：ZigBee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms，活动设备信道接入的时延为15ms。
e) 网络容量大：ZigBee 可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。
f) 可靠度高：为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发；
g) 安全性高：ZigBee 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码，以灵活确定其安全属性。
h) 传输距离远：传输范围一般介于10～100 m 之间，在增加RF 发射功率后，亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将能达到更远。
由于ZigBee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括楼宇控制、汽车自动化、农业自动化、医用设备控制、军事方面、智能交通等。
（二）课题研究的目的和意义
无线传感器网络(wireless sensor network)是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络，它在近程工业控制和监测、环境监测、军事、农业自动化、医疗健康、家庭智能监控和其它商业领域有着广泛的应用前景和空间。无线传感器网络具有传感器节点密度高，网络拓扑变化频繁，以及节点的功率、计算能力和数据存储能力有限等特点。无线传感器网络的上述特点使其在偏远环境的水质监测和环境管理方面将有很好的应用前景。
对于湖泊和河流水质的测量，由于浮标常年位于水中，为它架设专门的通信线路显得不合适，另外由于测试点多而杂使得监测系统的线路非常复杂，因此本文根据无线传感器网络的基本理论和水质监测系统的实际需求，提出了基于ZigBee技术的在线水质监测方法，设计了一个能够实时测量多种水质参数的监测系统，通过此系统可以方便直观地得到被测水样的水温、PH、浑浊度等参数。本文在分析Zigbee无线传感器网络技术的基础上，对其在水质监测系统方面的应用进行了研究。这篇文章提出了水质监测系统的整体设计方案，并对系统的硬件进行了详细的分析和设计，软件部分也略有提及。在硬件设计方面，本文采用模块化设计，即无线传输模块中ZigBee节点硬件设计分析（CC2430射频芯片和传感器），主要包括的CC2430以方便系统的调试和扩展。水质检测模块主要是通过各种水质传感器对水质参数进行采样，然后经过信号调理电路是对采集到的电压信号或者电流信号进行放大处理。在软件设计方面，经测试，本文的ZigBee无线模块点对点直接通信在可视距离为300m以内可以实现数据的可靠传输，通讯距离能满足大部分水质监测的需求。本系统将各个水质检测终端组成测量网络，实现了一级路由的ZigBee树型拓扑网络，并通过网络协调器与监控中心的PC机通信，从而实现了自动化、网络化的无线水质监测系统。本系统较之传统的水质检测方法不仅可以减轻劳动强度、提高检测精度，而且具有实时监测的连续性。
（三）国内外对ZigBee的研究概况
ZigBee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI)，IEEE 802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用会聚层、应用层由ZigBee联盟制订。
2002年，ZigBee联盟创立，创始者包括IC供应商、无线IP提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等，这些企业能提供适应ZigBee的产品和解决方案。
ZigBee联盟于2004年底发布了ZigBee协议1.0版本规范，2006年11月发布了ZigBee协议1.1版本规范，2007年10月发布了ZigBee Pro版本规范。
【摘 要】
水质监测是水资源管理与保护的重要基础，是保护水环境的重要手段。针对我国水质监测系统存在的问题，本论文设计了基于ZigBee无线传感器网络的水质实时监测系统。在此设计电路完成后，它可实现检验三种参数是否达标，即温度、PH值、浑浊度。其中，对CC2430做了详细的介绍和说明。ZigBee，国内称之为“紫蜂”，与蓝牙、WiFi相似，是一种新兴的廉价的低功耗近距离无线组网通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。目前，ZigBee技术已经广泛应用于近距离传输的无线通信领域，尤其是在工农业控制、医疗卫生方面起着越来越重要的作用。本设计意在通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采用树型网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行温度、PH值、浑浊度的数据进行采集和分析，将此应用于对太湖水质的环境检测和控制当中，避免了有线网络的布线问题和成本问题。本设计设计了一个结构合理的Web应用程序，搭建Web服务器来动态显示传感器终端所采集的太湖水质数据。本文对于自来水、污水处理等其它需要对水质进行动态监测的场合都有借鉴意义。
【摘 要】 1
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】ZigBee；CC2430；无线传感器网络；水质数据采集
一、引 言 3
（一）课题研究的背景 3
（二）课题研究的目的和意义 4
（三）国内外对ZigBee的研究概况 5
（四）论文的主要研究内容 5
二、系统技术概述 6
（一）水质监测系统要求 6
（二）参数的影响及相应传感器工作原理 6
（三）ZigBee概述[7] 7
（四）ZigBee网络基础 10
（五）CC2430芯片[8] 13
三、系统设计 15
（一）系统整体结构 15
（二）系统硬件设计 16
（三）系统软件设计 22
四、系统测试 25
（一）系统测试步骤 25
（二）系统测试结果 25
（三）系统测试预期结果分析 25
五、结 论 26
六、致 谢 27
七、参考文献 28
一、引 言
（一）课题研究的背景
水质监测是水资源环境管理与保护的重要基础，是保护水环境的重要手段之一。对于水质的监测和治理关系到各行各业的生产水平人民的生活水平。随着科学技术的发展，人民物质生活水平不断提高，随之而来的环境污染也不断严重，尤为严重的是水资源污染，就以太湖水质污染为例，不仅影响着环境，也影响着居民的身心健康，同时还影响着国民经济的发展。但是，目前我国的水质监测仍然存在很多问题，一是各级水质监测中心的采样能力不足，监测频率低，水质监测实验室的监测仪器设备老化，大型分析仪器配备不平衡。二是机动监测能力不足，水质分析监测实验室配备数量太少，现场监测能力低。三是自动水质监测数量太少，缺乏自动测报能力，难以获得重点水功能区主要水质监测的实时情况。
信息技术发展日新月异，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。因而，无线通信技术应运而生。无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线城域网、无线广域网、无线个人域网和无线局域网。无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术主要有：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等。
在农业控制管理、工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域中，蓝牙（Bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，只有10米，可以参与组网的节点比较少。WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。
相比之下ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点：
a) 低成本：ZigBee模块的初始成本低，并且ZigBee协议是免专利费的，采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)，免执照频段。
b) 低功耗：由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用。
c) 速率低：ZigBee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供2.4GHz、915 MHz和868 MHz的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
d) 时延短：ZigBee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms，活动设备信道接入的时延为15ms。
e) 网络容量大：ZigBee 可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。
f) 可靠度高：为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发；
g) 安全性高：ZigBee 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码，以灵活确定其安全属性。
h) 传输距离远：传输范围一般介于10～100 m 之间，在增加RF 发射功率后，亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将能达到更远。
由于ZigBee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括楼宇控制、汽车自动化、农业自动化、医用设备控制、军事方面、智能交通等。
（二）课题研究的目的和意义
无线传感器网络(wireless sensor network)是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络，它在近程工业控制和监测、环境监测、军事、农业自动化、医疗健康、家庭智能监控和其它商业领域有着广泛的应用前景和空间。无线传感器网络具有传感器节点密度高，网络拓扑变化频繁，以及节点的功率、计算能力和数据存储能力有限等特点。无线传感器网络的上述特点使其在偏远环境的水质监测和环境管理方面将有很好的应用前景。
对于湖泊和河流水质的测量，由于浮标常年位于水中，为它架设专门的通信线路显得不合适，另外由于测试点多而杂使得监测系统的线路非常复杂，因此本文根据无线传感器网络的基本理论和水质监测系统的实际需求，提出了基于ZigBee技术的在线水质监测方法，设计了一个能够实时测量多种水质参数的监测系统，通过此系统可以方便直观地得到被测水样的水温、PH、浑浊度等参数。本文在分析Zigbee无线传感器网络技术的基础上，对其在水质监测系统方面的应用进行了研究。这篇文章提出了水质监测系统的整体设计方案，并对系统的硬件进行了详细的分析和设计，软件部分也略有提及。在硬件设计方面，本文采用模块化设计，即无线传输模块中ZigBee节点硬件设计分析（CC2430射频芯片和传感器），主要包括的CC2430以方便系统的调试和扩展。水质检测模块主要是通过各种水质传感器对水质参数进行采样，然后经过信号调理电路是对采集到的电压信号或者电流信号进行放大处理。在软件设计方面，经测试，本文的ZigBee无线模块点对点直接通信在可视距离为300m以内可以实现数据的可靠传输，通讯距离能满足大部分水质监测的需求。本系统将各个水质检测终端组成测量网络，实现了一级路由的ZigBee树型拓扑网络，并通过网络协调器与监控中心的PC机通信，从而实现了自动化、网络化的无线水质监测系统。本系统较之传统的水质检测方法不仅可以减轻劳动强度、提高检测精度，而且具有实时监测的连续性。
（三）国内外对ZigBee的研究概况
ZigBee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI)，IEEE 802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用会聚层、应用层由ZigBee联盟制订。
2002年，ZigBee联盟创立，创始者包括IC供应商、无线IP提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等，这些企业能提供适应ZigBee的产品和解决方案。
ZigBee联盟于2004年底发布了ZigBee协议1.0版本规范，2006年11月发布了ZigBee协议1.1版本规范，2007年10月发布了ZigBee Pro版本规范。
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