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尾矿库安全监测无线传感器网络的研究与设计

作　者: 王强
导　师: 何学文
学　校: 江西理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 无线传感器网络尾矿库安全监测 ZigBee 节点设计
分类号: TD926.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

尾矿库是保障矿山正常生产的必要组成部分，也是矿山企业的重大危险源。长期以来，我国尾矿库安全监测方式处于较低水平，尾矿库事故有上升趋势。目前人工监测方式有监测不及时、人为监测误差较大等问题；传统的监测手段是利用有线监测线缆敷设坝体，但存在敷设复杂，对监测点的维护、扩充、调整不方便等诸多问题。针对这一现状，本文结合国家自然科学基金项目“无线传感器网络及其在钨矿环境实时监测中的应用研究（50764005）的研究内容，提出将无线传感器网络应用到尾矿库的安全监测系统中，进行了系统总体方案、传感器节点硬件系统和软件系统的设计。论文首先分析无线传感器网络的体系结构和特点，然后指出具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的ZigBee双向无线通信技术非常适用于尾矿库安全监测的无线传感器网络。论文围绕基于ZigBee无线传感器网络的尾矿库监测系统的总体设计、硬件设计、软件设计以及仿真实验四个部分展开研究。（1）针对当前尾矿库安全在线监测的迫切需求，提出采用无线传感器网络对尾矿库进行在线监测的系统设计方案，给出系统的总体结构。（2）围绕系统总体结构，进行无线传感器节点的硬件设计。考虑到节点能耗与无线传输的特性，选用以低功耗AVR微控制器ATmega128L和基于ZigBee技术的无线射频收发芯片CC2420为核心组成的传感器节点，设计了微处理器模块、无线通信模块、传感器模块和电源模块，能按实际应用灵活配置硬件和接口。（3）根据ZigBee通信协议，考虑硬件和软件两方面低功耗要求，进行了无线传感器网络节点的软件设计，包括CC2420无线通讯程序和渗压数据采集程序及ZigBee协议的具体实现。（4）针对传统ZigBee网络树路由算法因数据传输量大导致传感器节点能量消耗过大和偏快等问题，提出一种改进的基于能量感知和能量均衡的ZigBee树路由算法。通过将基于节点能量感知和能量均衡的树路由算法与传统树路由算法在网络仿真软件NS2环境中进行仿真实验。仿真结果表明，改进算法能有效地降低网络的总体能耗，实现节点能量均衡，最大化网络的生存时间。综上所述，论文结合无线传感器网络的优点，将理论研究、系统设计与仿真分析相结合，对尾矿库安全监测无线传感器网络系统进行了较为深入的研究，为尾矿库安全监测提供了一种简单有效的方法，对无线传感器网络技术的发展和应用进行了有益的探索和尝试。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-17
  1.1 课题研究背景和意义  10-12
  1.2 课题研究现状  12-16
    1.2.1 尾矿库安全监测现状  12-13
    1.2.2 无线传感器网络国内外研究现状  13-14
    1.2.3 ZIGBEE 技术研究现状  14-16
  1.3 论文主要内容及章节安排  16-17
第二章尾矿库安全监测无线传感器网络总体设计  17-24
  2.1 尾矿库危害表现形式  17-19
    2.1.1 漫坝危害  17-18
    2.1.2 坝体渗漏危害  18-19
    2.1.3 坝体变形危害  19
  2.2 尾矿库安全监测无线传感器网络需求分析  19-20
  2.3 设计方案  20-23
    2.3.1 总体架构设计  20-21
    2.3.2 节点硬件架构设计  21-22
    2.3.3 功能模块设计  22
    2.3.4 集成化设计  22-23
  2.4 系统网络拓扑结构  23
  2.5 本章小结  23-24
第三章尾矿库监测系统硬件节点的选型与设计  24-42
  3.1 监测对象尾矿库概述  24-25
  3.2 微处理器模块选型与设计  25-31
    3.2.1 微处理器选型原则  25-26
    3.2.2 ATMEGA128L 单片机简介  26-27
    3.2.3 ATMEGA128L 外围电路设计  27-31
  3.3 无线通信模块选型与设计  31-35
    3.3.1 无线通信芯片选型原则  31-32
    3.3.2 CC2420 芯片  32-35
  3.4 传感器模块选型与设计  35-40
    3.4.1 系统的监测参数  35-36
    3.4.2 传感器选型原则及选型  36-38
    3.4.3 振弦式传感器 GSY-229  38-40
  3.5 电源模块设计  40-41
  3.6 本章小结  41-42
第四章无线传感器网络节点的软件设计  42-52
  4.1 系统软件总体设计  42-43
  4.2 主程序流程设计  43
  4.3 接口驱动程序设计  43-48
    4.3.1 SPI 通信的程序设计  43-45
    4.3.2 串口通信程序设计  45-48
  4.4 GSY-2 渗压值采集程序设计  48-49
  4.5 ZIGBEE 无线通信程序设计  49-51
    4.5.1 数据发送程序  49-51
    4.5.2 数据接收程序  51
  4.6 本章小结  51-52
第五章监测网络仿真与分析  52-60
  5.1 NS2 仿真平台简介  52-53
    5.1.1 NS243  52
    5.1.2 NS2 原理  52-53
  5.2 系统组成与设计需求  53-54
  5.3 基于能量感知和均衡的树路由算法及仿真分析  54-59
    5.3.1 ZIGBEE 树路由算法  54-55
    5.3.2 能量均衡算法  55-56
    5.3.3 基于能量感知和均衡的树路由算法  56
    5.3.4 基于能量感知与均衡的路由选择策略  56-57
    5.3.5 基于节点能量感知和能量均衡的路由算法设计  57
    5.3.6 仿真结果分析  57-59
  5.4 本章小结  59-60
第六章总结和展望  60-61
  6.1 论文总结  60
  6.2 研究展望  60-61
参考文献  61-63
致谢  63-64
附录 A  64-65
附录 B  65-66
附录 C  66-76
攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果  76

尾矿库安全监测无线传感器网络的研究与设计

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