基于WSN的水质监测系统中ZigBee协议和网关系统的设计与实现

摘要

WSN(Wireless Sensor Networks)在线水质监测系统是利用WSN技术、智能传感器技术、现代控制技术，实现实时、高效地监测水体水文信息，包括PH值、水温、氧化还原电位等指标，从而达到水污染预警、水源污染物监测和治理成效监测的目的。目前水质监测系统中节点通信方式一般采用GPRS或3G技术，导致传感器节点成本比较高、且不适宜大规模布设节点。基于ZigBee的WSN技术，是一种低功耗、低复杂度、低数据速率、低成本、短距离的无线网络通信技术，WSN监测无需现场布线、系统维护成本低、节点布设灵活等优势，使得在智能水质监测系统中采用ZigBee技术成为了当前的研究热点。
　　 本文依托上海微系统所与瑞萨移动合作项日“WSN在线水质监测系统开发”，设计和实现了适用于该类采集监测应用场景的ZigBee协议的SubMAC层、硬件抽象子层，设计了该系统中关键元件WSN-Cellular网关。该套基于ZigBee技术的WSN水质监测系统，为水源地水文信息在线实时监测的快速展开和部署提供了一套可行方案，该系统已经布设在上海市崇明岛青草沙水源地，网页操作定制WSN服务，定时或随时上报关心的PH值、氧化还原电位、温度等参数，能够完成预期效果和目的。本文中根据此类WSN监测系统的低复杂度应用对ZigBee协议的MAC层和网络层进行定制，去掉冗余的功能，以达到节点芯片较低消耗的运行成本;在网络层之上设计并定义了一个新层次ACP层(Application Communicate Protocol layer)，用于WSN网络节点命令和数据通信的标准;并为WSN-Cellular网关定义了与下层WSN网络及上层服务器的通信协议标准。同时对ZigBee路由算法和信道接入方式进行了初步研究。
　　 本文主要工作有以下几个方面:
　　 (1)在对IEEE802.15.4/ZigBee协议规范分析研究的基础上，本文设计并实现了适用于低复杂度应用场景的ZigBee协议栈软件架构。主要包括SubMAC层(MAC sublayer)、MAC层、网络层、应用层。首先介绍了ZigBee MAC层、网络层通信原语概念，原语包括数据服务原语和管理服务原语，原语是各层功能实现所调用的API函数。其中SubMAC是设计加入的层次，实现MAC层的CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）信道接入机制和物理层的数据发送功能，SubMAC的作用是使协议与底层关系更加疏远，方便不同底层平台上协议的移植。
　　 (2)依据传感网协议操作系统的Chipcon OSAL(Operating System Abstraction Layer)模型，实现了精简ZigBee协议栈的任务调度程序Kernel层，并将ZigBee各个层次在操作系统中分别对应一个独立的任务，各层次任务之间通信利用消息机制实现。
　　 (3)针对项目需求，本文设计提出了水质监测系统框架、WSN-Cellular网关及传感器节点设计方案。该系统中最关键的部分是WSN-Cellular网关，采用STM32F 103xB微控制器、GR64 GPRS模块、CC2530芯片，其建立与上层Web服务器和下层WSN采集网络的通信接口平台。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 课题背景及研究意义

1．2 在线水质监测的国内外研究现状

1．3 无线传感器网络概述

1．4 论文研究内容和组织结构

第二章 水质监测系统架构及其WSN模型

2．1 设计需求及系统框架

2．1．1 水质监测系统设计需求

2．1．2 水质监测系统框架及软件架构

2．2 基于ZigBee构建WSN模型

2．2．1 设备类型

2．2．2 MAC层与NWK层设计

2．2．3 应用通信协议层设计

2．2．4 WSN设备应用层设计

2．3 WSN网络关键流程设计

2．3．1 建立网络及节点入网

2．3．2 网关获取全网节点状态

2．3．3 网关设置节点数据上报周期

2．3．4 网关控制节点数据上报

2．3．5 网关控制节点LED闪烁

2．4 本章小结

第三章 ZigBee协议栈设计实现及其关键技术研究

3．1 ZigBee协议栈结构设计

3．2 IEEE802．15．4标准和zigbee协议规范

3．2．1 IEEE802．15．4标准

3．2．2 ZigBee标准规范

3．2 分层协议标准的关键术语介绍

3．2．1 通信原语

3．2．2 数据单元

3．3 嵌入式操作系统移植

3．3．1 操作系统抽象层

3．3．2 任务调度程序研究与实现

3．4 协议栈各层具体实现

3．4．1 HAL层研究与实现

3．4．2 SubMAC层研究与实现

3．4．3 MAC层研究与实现

3．4．4 网络层研究与实现

3．5 本章小结

第四章 WSN-Cellular网关设计与实现

4．1 WSN-Cellular网关设计需求

4．2 网关-服务器通信协议

4．2．1 通信协议报文定义

4．2．2 协议报文负载格式

4．3 WSN-Cellular网关具体实现

4．3．1 网关硬件实现

4．3．2 网关软件实现

4．4 水质监测系统实验结果示例

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 课题下一步工作展望

附录

图目录

表目录

参考文献

致谢

读研期间参与的研究成果