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基于ZigBee技术的山洪泥石流灾害预警系统的研究与设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 无线传感器网络的技术概述

1.3.1 无线传感器网络技术现状

1.3.2 zigBee技术简介

1.3.3 ZigBee与其他几种无线通信协议的比较

1.3.4 ZigBee网络拓扑结构

1.4 本论文的研究内容和安排

1.5 本章小结

第二章 需求分析和总体设计

2.1 项目需求分析

2.1.1 功能需求概述

2.1.2 网络平台功能需求分析

2.1.3 硬件平台功能需求分析

2.1.4 软件平台功能需求分析

2.2 总体方案

2.2.1 监测内容设计方案

2.2.2 网络架构设计方案

2.2.3 硬件平台设计方案

2.2.4 软件平台设计方案

2.3 可行性分析

2.3.1 无线传感器网络平台可行性

2.3.2 安卓移动平台可行性

2.4 本章小结

第三章 基于ZigBee无线传感器网络硬件设计

3.1 传感器选择

3.1.1 雨量传感器

3.1.2 振动传感器

3.1.3 泥位传感器

3.1.4 位移传感器

3.2 核心zigBee模块

3.2.1 片上系统CC2530

3.2.2 射频芯片CC2591

3.2.3 无线数传模块设计

3.3 节点外围电路的设计与实现

3.3.1 电源模块设计

3.3.2 RS232接口模块设计

3.3.3 脉冲信号检测模块设计

3.3.4 振动信号检测模块设计

3.3.5 泥位和位移信号检测模块设计

3.3.6 报警模块设计

3.4 本章小结

第四章 基于ZigBee无线传感器网络软件设计

4.1 ZigBee软件开发平台

4.2 ZigBee协议栈oSAL分析

4.2.1 OSAL消息队列

4.2.2 OSAL运行机理

4.2.3 OSAL应用编程接口

4.3 协调器节点程序设计

4.3.1 协调器软件工作流程

4.3.2 节点设备初始化

4.3.3 协调器组建网络

4.3.4 蓝牙串口程序

4.4 路由器节点程序设计

4.4.1 路由器节点工作流程

4.4.2 ZigBee网络树路由算法

4.5 终端节点程序设计

4.5.1 终端节点工作流程

4.5.2 节点加入网络方法

4.6 传感器采集模块程序设计

4.6.1 采集模块的设计框架

4.6.2 降雨量采集模块设计

4.6.3 振动采集模块设计

4.6.4 泥位采集模块设计

4.6.5 位移采集模块设计

4.7 节点的能量管理

4.7.1 射频RF低功耗模式设计

4.7.2 CC2530低功耗模式设计

4.7.3 硬件定时器计时方法

4.8 本章小结

第五章 Android平台上位机软件设计

5.1 Android上位机界面设计

5.1.1 Android界面设计方法

5.1.2 登录界面设计

5.1.3 数据采集显示界面设计

5.1.4 参数设置界面设计

5.1.5 蓝牙连接界面设计

5.2 Android业务逻辑设计

5.2.1 数据采集显示功能逻辑设计

5.2.2 蓝牙通信功能逻辑设计

5.2.3 通讯协议设计

5.3 数据库设计

5.3.1 数据库的选用

5.3.2 数据表的设计

5.3.3 SQLite数据库的应用

5.4 本章小结

第六章 泥石流监测预警指标分析

6.1 预警指标的确定方法

6.2 泥石流预警等级划分

6.3 降雨量阈值研究

6.4 泥位预警阈值研究

6.5 多种监测手段协同预警

6.6 本章小结

第七章 系统测试与分析

7.1 系统的测试方法

7.2 无线传感器网络性能测试

7.2.1 协调器组网测试

7.2.2 路由器和终端入网测试

7.2.3 节点收发距离测试

7.2.4 无线传感器功耗测试

7.3 系统功能整体测试

7.4 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 总结

8.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

泥石流是一种破坏性极强的山地灾害,具有突发性强和难于防御等特点,目前泥石流灾害缺乏有效的治理手段,预测和预报也非常困难,因此建立一套可靠的、智能化监测预警系统,可以降低灾害损失,具有非常深远的现实意义。针对现有系统布线复杂和维护不方便等缺点,本课题基于ZigBee无线传感器技术,结合武警水电部队第三总队关于泥石流应急抢险方面的预警的要求,着重对山洪泥石流监测和预警进行了研究和设计。
  本文采用ZigBee无线传感器技术对网络节点进行了构建,在对泥石流形成条件和运动特征分析的基础上,对监测传感器进行了选型设计;利用Android平板平台进行上位机开发。系统构建了底层为若干传感器节点,中间层为数据汇聚节点,上层以Android移动客户端为上位机的多层网络结构,实现对泥石流发生情况的自动监测和预警。
  硬件设计上,节点的微控制器采用低功耗的CC2530无线传感器芯片,并结合射频芯片CC2591提高了传输距离和数据收发可靠性;硬件扩展了脉冲信号、4-20mA信号、RS-485信号检测接口,可同时采集多个监测参数,实现对雨量、泥位、振动和位移的现场数据的实时监测。
  软件设计上,无线网络基于ZigBee2007/Pro协议栈开发,实现无线传感器网络的通信功能,并对CC2530芯片和射频芯片CC2591的工作方式进行了低功耗设计,最大限度降低系统的能耗;客户端软件基于Android系统开发,实现监测数据的显示和存储功能,并实时分析监测数据的变化趋势。
  预警方面,研究了单一预警方法和多个监测手段协同预警方法,并对预警的级别进行了划分,便于灾害预警工作的展开和人员的调配。
  本文最后对系统进行了测试,系统实现了网络的组建和节点的入网功能,传输距离和系统功耗基本能够满足应用的需求;功能测试表明系统能够实现数据的准确采集、传输、监测和预警功能,上位机可实现数据存储、趋势分析等功能。

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