基于WSN的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中ZigBee協(xié)議和網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、WSN(Wireless Sensor Networks)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用WSN技術(shù)、智能傳感器技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效地監(jiān)測(cè)水體水文信息，包括PH值、水溫、氧化還原電位等指標(biāo)，從而達(dá)到水污染預(yù)警、水源污染物監(jiān)測(cè)和治理成效監(jiān)測(cè)的目的。目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)通信方式一般采用GPRS或3G技術(shù)，導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)成本比較高、且不適宜大規(guī)模布設(shè)節(jié)點(diǎn)?；赯igBee的WSN技術(shù)，是一種低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本、短距離的

2、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，WSN監(jiān)測(cè)無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)布線、系統(tǒng)維護(hù)成本低、節(jié)點(diǎn)布設(shè)靈活等優(yōu)勢(shì)，使得在智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用ZigBee技術(shù)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
　　 本文依托上海微系統(tǒng)所與瑞薩移動(dòng)合作項(xiàng)日“WSN在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了適用于該類(lèi)采集監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景的ZigBee協(xié)議的SubMAC層、硬件抽象子層，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)中關(guān)鍵元件WSN-Cellular網(wǎng)關(guān)。該套基于ZigBee技術(shù)的WSN水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為水源地水文信息在線實(shí)時(shí)

3、監(jiān)測(cè)的快速展開(kāi)和部署提供了一套可行方案，該系統(tǒng)已經(jīng)布設(shè)在上海市崇明島青草沙水源地，網(wǎng)頁(yè)操作定制WSN服務(wù)，定時(shí)或隨時(shí)上報(bào)關(guān)心的PH值、氧化還原電位、溫度等參數(shù)，能夠完成預(yù)期效果和目的。本文中根據(jù)此類(lèi)WSN監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的低復(fù)雜度應(yīng)用對(duì)ZigBee協(xié)議的MAC層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行定制，去掉冗余的功能，以達(dá)到節(jié)點(diǎn)芯片較低消耗的運(yùn)行成本;在網(wǎng)絡(luò)層之上設(shè)計(jì)并定義了一個(gè)新層次ACP層(Application Communicate Protocol laye

4、r)，用于WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)命令和數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn);并為WSN-Cellular網(wǎng)關(guān)定義了與下層WSN網(wǎng)絡(luò)及上層服務(wù)器的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)對(duì)ZigBee路由算法和信道接入方式進(jìn)行了初步研究。
　　 本文主要工作有以下幾個(gè)方面:
　　 (1)在對(duì)IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議規(guī)范分析研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適用于低復(fù)雜度應(yīng)用場(chǎng)景的ZigBee協(xié)議棧軟件架構(gòu)。主要包括SubMAC層(MAC sublayer)、M

5、AC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。首先介紹了ZigBee MAC層、網(wǎng)絡(luò)層通信原語(yǔ)概念，原語(yǔ)包括數(shù)據(jù)服務(wù)原語(yǔ)和管理服務(wù)原語(yǔ)，原語(yǔ)是各層功能實(shí)現(xiàn)所調(diào)用的API函數(shù)。其中SubMAC是設(shè)計(jì)加入的層次，實(shí)現(xiàn)MAC層的CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）信道接入機(jī)制和物理層的數(shù)據(jù)發(fā)送功能，SubMAC的作用是使協(xié)議與底層關(guān)系更加疏遠(yuǎn)，方便不同底層平臺(tái)上協(xié)議的移植。<

6、br>　　 (2)依據(jù)傳感網(wǎng)協(xié)議操作系統(tǒng)的Chipcon OSAL(Operating System Abstraction Layer)模型，實(shí)現(xiàn)了精簡(jiǎn)ZigBee協(xié)議棧的任務(wù)調(diào)度程序Kernel層，并將ZigBee各個(gè)層次在操作系統(tǒng)中分別對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，各層次任務(wù)之間通信利用消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)。
　　 (3)針對(duì)項(xiàng)目需求，本文設(shè)計(jì)提出了水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架、WSN-Cellular網(wǎng)關(guān)及傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分是