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基于多传感器数据融合的无线环境监测系统

作　者: 李文琛
导　师: 王志明
学　校: 南京理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 环境监测 ZigBee GPRS 数据融合 μC/OS-Ⅱ
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着我国经济的不断增长,工业化和城市化水平不断提高,环境污染问题日益严重。对于这个问题,人们越来越重视,相关部门也采取了很多的改善措施。但是我国环境监测工作比较落后,监测手段单一,监测数据不准确,应急监测能力差,监测数据的存储和管理无法实现。本文提出了一种基于多传感器数据融合技术的无线环境监测系统,该系统能够实时连续的采集温度、湿度、灰尘等环境参数,通过ZigBee与GPRS技术构成的无线环境监测网络对监测数据进行无线传输,并实现了环境参数的实时处理和监测。为了实现环境监测中数据采集和无线传输的要求,从理论和实验的角度研究了ZigBee技术、ARM技术和GPRS技术,并对无线监测系统进行功能分析,设计了系统的总体结构,并根据监测系统的总体结构要求设计各个模块的硬件电路,完成监控系统的整体硬件设计。为了提高环境监控的能力,提出了一种新的神经网络算法,建立了自适应加权算法与BP神经网络的二级融合模型,通过这种算法,能够进一步提高环境监测数据的准确性以及对环境数据进行判断的精确性。环境监测系统的软件部分包括嵌入式开发平台的构建,μC/OS-Ⅱ实时操作系统的移植,硬件驱动程序的编写和监控中心的软件的设计,监控中心软件可以实现历史数据查看、数据存储等功能。系统的测试和分析表明环境数据采集性能良好,数据传输稳定可靠,达到了预期目标。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-12
  1.1 课题的研究背景和意义  8-9
  1.2 国内外环境监测系统研究现状  9-10
  1.3 多传感器数据融合技术的国内外研究现状  10-11
  1.4 论文的主要研究内容  11-12
2 环境监测系统总体方案设计  12-19
  2.1 系统的功能分析  12
  2.2 ZigBee技术  12-15
    2.2.1 ZigBee技术概述  12-13
    2.2.2 ZigBee的协议架构  13-14
    2.2.3 ZigBee网络拓扑  14-15
  2.3 GPRS技术  15-17
    2.3.1 GPRS技术概述  15-17
    2.3.2 GPRS协议栈  17
  2.4 总体结构设计  17-18
    2.4.1 系统的设计目标  17-18
    2.4.2 系统的总体结构  18
  2.5 小结  18-19
3 环境监测系统硬件设计  19-32
  3.1 硬件总体设计  19
  3.2 数据采集模块硬件设计  19-23
    3.2.1 单片机的选型  19-20
    3.2.2 传感器的选型  20-23
    3.2.3 ZigBee无线通信模块  23
  3.3 数据传输和控制模块硬件设计  23-30
    3.3.1 ARM处理器选型  24
    3.3.2 电源电路设计  24-25
    3.3.3 复位电路  25-26
    3.3.4 SD卡存储电路设计  26-27
    3.3.5 JTAG接口电路  27
    3.3.6 OLED显示电路设计  27-28
    3.3.7 GPRS模块设计  28-30
  3.4 硬件抗干扰设计  30-31
  3.5 小结  31-32
4 环境监测系统数据处理  32-48
  4.1 多传感器数据融合技术  32-35
    4.1.1 数据融合技术概述  32
    4.1.2 数据融合的层次  32-33
    4.1.3 数据融合的结构与关键问题  33-35
  4.2 多传感器数据融合在环境监测中的应用  35-47
    4.2.1 环境监测系统中数据融合的结构  35
    4.2.2 自适应加权融合算法与应用  35-38
    4.2.3 BP神经网络融合算法与应用  38-47
  4.3 小结  47-48
5 环境监测系统软件设计  48-69
  5.1 数据采集模块软件设计  48-50
    5.1.1 数据采集模块软件总体设计  48
    5.1.2 采集节点的软件设计  48-50
  5.2 数据传输和控制模块软件设计  50-65
    5.2.1 系统任务总体设计  50
    5.2.2 嵌入式开发环境介绍  50-51
    5.2.3 BootLoader的移植  51-55
    5.2.4 μC/OS-Ⅱ在LPC2138上的移植  55-60
    5.2.5 主任务设计  60-61
    5.2.6 数据接收任务设计  61
    5.2.7 数据处理任务设计  61-62
    5.2.8 SD卡存储任务设计  62-63
    5.2.9 GPRS模块驱动  63-64
    5.2.10 OLED显示驱动  64-65
  5.3 监控中心软件设计  65-68
    5.3.1 软件的总体结构  65
    5.3.2 通信部分设计  65-67
    5.3.3 监控界面设计  67-68
  5.4 小结  68-69
6 系统仿真与实验结果分析  69-73
  6.1 实验平台  69-70
  6.2 数据测试  70-72
    6.2.1 GPRS数据测试  70
    6.2.2 自适应加权算法容错性测试  70-71
    6.2.3 BP神经网络算法数据融合测试  71-72
  6.3 小结  72-73
7 结论与展望  73-75
  7.1 全文总结  73
  7.2 工作展望  73-75
致谢  75-76
参考文献  76-79
附录  79

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