太湖水体透明度远程监测系统的研究与应用

论文摘要

水体质量与人们的生活息息相关。因此,能随时感知水质状况显得尤为重要。然而在生产力高速发展的过程中,水体污染事件频发,且具有隐蔽性和突发性的特点。传统的人工测量手段显得相对迟缓,而卫星遥感测量由于其精度等问题一直未能取代传统测量方法。无线传感网络和无线通信技术的发展使得越来越多的传感器应用到水质监测中,基于无线传感技术的远程测量逐渐成为水质监测的发展趋势。水体透明度是水质评价与水污染防治的主要依据之一。但由于透明度测量仪器大多为面向现场或实验室而设计,无法满足无线传感网络和长期工作在水体环境的要求。因而,透明度传感器成为透明度远程监测的主要制约因素。为满足远程透明度测量的需求,本文在研究实验室光度学测量方法和太湖水体光学特性的基础上,建立了太湖水体透明度计算模型和公式。通过简化实验室光度学测量方法步骤和重新设计仪器,实现了一种水体透明度传感器。这是本文的重要创新点和设计难点。为提高太湖水体透明度测量监测效率,本文进一步设计并实现了以上述透明度传感器节点为基础的水体透明度监测系统。其中各个透明度传感器节点组成测量网络,将采集到的数据发送到网关节点,最终通过网关节点以GPRS方式与服务器通信,从而构建一个基于ZigBee和GPRS的远程监测网络。而监控PC则通过Internet网络随时随地访问服务器,实时感知水体透明度。为保证传感器节点网络通信稳定,本文实现了一种基于广播的同步通信协议,这是本文的设计难点之一。在网关节点设计中,其ZigBee无线接收模块采用基于移动指针的快速接收方法,避免了数据拷贝,缩短了响应时间,这是本文的设计亮点。实践证明,无线透明度传感器节点测量精确,软硬件性能稳定可靠,系统运行良好。本文设计的透明度传感器测量方法弥补了传统测量和遥感测量的不足,为远程透明度测量提供了一种新的、可行的远程测量方法。透明度远程监测系统为水质环境监测部门提供了及时准确的信息,提升了太湖水体透明度测量的整体水平。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 透明度测量现状及趋势
• 1.1.1 传统透明度测量方法
• 1.1.2 卫星遥感测量法
• 1.1.3 透明度测量趋势
• 1.2 课题提出
• 1.3 领域知识概述
• 1.3.1 水体透明度
• 1.3.2 ZigBee 概述
• 1.3.3 无线传感器网络
• 1.3.4 GPRS 技术
• 1.4 研究内容与意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究意义
• 1.5 论文结构
• 第二章 系统总体设计
• 2.1 基于光度学原理的透明度传感器设计
• 2.1.1 透明度传感器设计思路
• 2.1.2 太湖水体透明度计算模型
• 2.1.3 传感器框架设计
• 2.2 太湖水体透明度总体设计
• 2.2.1 系统逻辑层次划分
• 2.2.2 系统整体拓扑设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统节点硬件设计与实现
• 3.1 透明度传感器节点硬件设计
• 3.1.1 器件选型
• 3.1.2 防水设计
• 3.1.3 电路设计
• 3.1.4 传感器标定
• 3.2 网关节点硬件设计
• 3.2.1 硬件选型
• 3.2.2 硬件电路设计
• 3.3 硬件模块测试
• 3.3.1 传感器节点硬件测试
• 3.3.2 网关节点硬件测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 系统节点软件设计与实现
• 4.1 传感器节点软件设计
• 4.1.1 透明度传感器节点部署
• 4.1.2 节点之间通信之MAC 层
• 4.1.3 节点之间通信之网络层
• 4.1.4 软件低功耗设计
• 4.1.5 节点软件实现
• 4.1.6 节点寿命估算
• 4.2 网关节点软件设计
• 4.2.1 无线ZigBee 模块软件设计
• 4.2.2 主控芯片软件设计
• 4.2.3 EM310 程序设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 监测系统高端软件实现
• 5.1 服务器端软件设计
• 5.1.1 服务器端软件整体设计
• 5.1.2 网络服务器设计
• 5.1.3 服务器数据库设计
• 5.2 监控PC 软件设计
• 5.2.1 监控PC 软件整体设计
• 5.2.2 监控PC 软件功能设计
• 5.3 实验验证与结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人公开发表的论文及科研成果
• 附录A 工程文件列表
• 附录A.1 传感器节点软件文件列表
• 附录A.2 网关节点软件文件列表
• 附录B 透明度远程监测系统硬件实物图
• 附录B.1 传感器节点控制部分实物图
• 附录B.2 传感器节点实物图
• 附录B.3 EM310 模块实物图
• 附录B.4 网关节点实物图
• 致谢