基于WSN的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中ZigBee協(xié)議和網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、WSN(Wireless Sensor Networks)在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是利用WSN技術(shù)、智能傳感器技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)，實現(xiàn)實時、高效地監(jiān)測水體水文信息，包括PH值、水溫、氧化還原電位等指標(biāo)，從而達到水污染預(yù)警、水源污染物監(jiān)測和治理成效監(jiān)測的目的。目前水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中節(jié)點通信方式一般采用GPRS或3G技術(shù)，導(dǎo)致傳感器節(jié)點成本比較高、且不適宜大規(guī)模布設(shè)節(jié)點?；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、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，WSN監(jiān)測無需現(xiàn)場布線、系統(tǒng)維護成本低、節(jié)點布設(shè)靈活等優(yōu)勢，使得在智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中采用ZigBee技術(shù)成為了當(dāng)前的研究熱點。
　　 本文依托上海微系統(tǒng)所與瑞薩移動合作項日“WSN在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)”，設(shè)計和實現(xiàn)了適用于該類采集監(jiān)測應(yīng)用場景的ZigBee協(xié)議的SubMAC層、硬件抽象子層，設(shè)計了該系統(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)測系統(tǒng)，為水源地水文信息在線實時

3、監(jiān)測的快速展開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)頁操作定制WSN服務(wù)，定時或隨時上報關(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WSN監(jiān)測系統(tǒng)的低復(fù)雜度應(yīng)用對ZigBee協(xié)議的MAC層和網(wǎng)絡(luò)層進行定制，去掉冗余的功能，以達到節(jié)點芯片較低消耗的運行成本;在網(wǎng)絡(luò)層之上設(shè)計并定義了一個新層次ACP層(Application Communicate Protocol laye

4、r)，用于WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點命令和數(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)。同時對ZigBee路由算法和信道接入方式進行了初步研究。
　　 本文主要工作有以下幾個方面:
　　 (1)在對IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議規(guī)范分析研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計并實現(xiàn)了適用于低復(fù)雜度應(yīng)用場景的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)層通信原語概念，原語包括數(shù)據(jù)服務(wù)原語和管理服務(wù)原語，原語是各層功能實現(xiàn)所調(diào)用的API函數(shù)。其中SubMAC是設(shè)計加入的層次，實現(xiàn)MAC層的CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）信道接入機制和物理層的數(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，方便不同底層平臺上協(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，實現(xiàn)了精簡ZigBee協(xié)議棧的任務(wù)調(diào)度程序Kernel層，并將ZigBee各個層次在操作系統(tǒng)中分別對應(yīng)一個獨立的任務(wù)，各層次任務(wù)之間通信利用消息機制實現(xiàn)。
　　 (3)針對項目需求，本文設(shè)計提出了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)框架、WSN-Cellular網(wǎng)關(guān)及傳感器節(jié)點設(shè)計方案。該系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分是