本文關(guān)鍵詞：WSN技術(shù)在滑坡監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

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【摘要】：我國是一個滑坡災(zāi)害頻發(fā)的國家,每年因滑坡造成的各種經(jīng)濟損失就高達(dá)幾十億元,傷亡人數(shù)上千人。潛在的滑坡災(zāi)害威脅著人們的生命和財產(chǎn)安全。研發(fā)一套多參數(shù)、自動化、長周期,并能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)滑坡災(zāi)害預(yù)警的監(jiān)測系統(tǒng),顯得十分必要。近年來,隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)的成熟,基于WSN技術(shù)開展滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計已是一個研究的熱點。本文依托于“滑坡監(jiān)測臨滑預(yù)警”項目,提出應(yīng)用WSN技術(shù)研發(fā)一套以降雨、地下水、位移、聲發(fā)射信號為監(jiān)測對象的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。本文的主要研究內(nèi)容及成果如下:第一,WSN協(xié)議和滑坡監(jiān)測對象研究。分析了WSN技術(shù)在滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀,研究了射頻收發(fā)器NRF24L01+增強型突發(fā)傳輸協(xié)議。在此基礎(chǔ)上,提出一種包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的WSN協(xié)議棧,并詳細(xì)地闡述了每層協(xié)議的具體實現(xiàn)。根據(jù)滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的需要,設(shè)計了多種類型的廣播幀,以及數(shù)據(jù)傳輸和處理命令,便于系統(tǒng)節(jié)點完成自組網(wǎng)和分布式的數(shù)據(jù)處理。分析了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的RIP路由協(xié)議和OSPF路由協(xié)議的優(yōu)缺點,提出一種適合于滑坡監(jiān)測系統(tǒng)WSN的自組織、多跳的改進(jìn)型RIP協(xié)議。對滑坡監(jiān)測對象進(jìn)行分析,明確了降雨、地下水和深部位移的監(jiān)測參數(shù),并利用多點聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)對比和聲源定位的方法消除環(huán)境噪聲對滑坡聲發(fā)射信號的干擾。第二,系統(tǒng)硬件設(shè)計。滑坡監(jiān)測系統(tǒng)WSN的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備包括眾多分散的數(shù)據(jù)采集節(jié)點和一個數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點。為了使節(jié)點具有較強的數(shù)據(jù)分析處理能力,兩類節(jié)點的核心微處理器選用Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407VE,外部數(shù)據(jù)存儲器選用大容量的Micro SD卡。聲發(fā)射信號采集通過精密的4193型電容傳聲器與微處理器片上的12位逐次比較型ADC完成。地下水、降雨、滑坡位移傳感器采集所得的數(shù)據(jù)通過成本低、可靠性高的RS-485總線傳輸,總線上的數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議。無線通信鏈路采用通信速率可達(dá)2Mbps的NRF24L01+射頻收發(fā)器設(shè)計,并在射頻收發(fā)器的輸出級采用了RFX2401C進(jìn)行功率放大,使其無線通信接收靈敏度可達(dá)-94d Bm。通過高精度的北斗/GPS雙模定位授時模塊BD-125完成節(jié)點的位置坐標(biāo)確定和時間同步。滑坡監(jiān)測系統(tǒng)通過GPRS通信模塊USR-GPRS232-7S2接入移動互聯(lián)網(wǎng),進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。第三,系統(tǒng)軟件設(shè)計。首先,將μC/OS-II操作系統(tǒng)和Fat Fs文件系統(tǒng)移植到本系統(tǒng)的微處理器上;其次,設(shè)計完成滑坡監(jiān)測系統(tǒng)兩類節(jié)點的底層的硬件驅(qū)動程序和WSN協(xié)議棧程序;最后,完成滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和傳輸、分布式處理等關(guān)鍵的應(yīng)用程序設(shè)計。第四,系統(tǒng)功能測試。完成系統(tǒng)節(jié)點的硬件設(shè)計和調(diào)試后,先對WSN的自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)多跳傳輸進(jìn)行了測試,然后對數(shù)據(jù)采集節(jié)點和匯聚節(jié)點的功能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明:系統(tǒng)對滑坡的地下水、降雨、位移和聲發(fā)射信號進(jìn)行監(jiān)測,能夠更全面的了解滑坡的發(fā)展過程;本文設(shè)計完成的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)WSN的節(jié)點組網(wǎng)靈活、可靠,無線通信速率明顯提高;在滑坡監(jiān)測系統(tǒng)中使用分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)來分析處理監(jiān)測對象,可以增強滑坡監(jiān)測的實時性和可靠性。
【關(guān)鍵詞】：滑坡監(jiān)測 WSN RIP協(xié)議 分布式數(shù)據(jù)處理 聲發(fā)射
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P642.22;TP212.9;TN929.5
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-15
• 1.1 選題依據(jù)及研究意義10-11
• 1.1.1 選題依據(jù)10
• 1.1.2 研究意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.3 主要研究內(nèi)容13
• 1.4 技術(shù)路線及文章結(jié)構(gòu)13-15
• 第2章 WSN協(xié)議棧與滑坡監(jiān)測對象分析15-29
• 2.1 WSN協(xié)議棧研究與設(shè)計15-24
• 2.1.1 WSN的物理層15-16
• 2.1.2 WSN的數(shù)據(jù)鏈路層16-18
• 2.1.3 WSN的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議18-20
• 2.1.4 路由信息協(xié)議20-21
• 2.1.5 開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議21-22
• 2.1.6 WSN的路由協(xié)議設(shè)計22-24
• 2.2 滑坡監(jiān)測對象分析24-28
• 2.2.1 降雨、地下水和位移數(shù)據(jù)24-25
• 2.2.2 滑坡體聲發(fā)射信號25-28
• 2.3 本章小結(jié)28-29
• 第3章 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計29-41
• 3.1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)29-30
• 3.1.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)29-30
• 3.1.2 數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)30
• 3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點電路設(shè)計30-38
• 3.2.1 微處理器最小系統(tǒng)電路30-31
• 3.2.2 聲發(fā)射信號的采集電路31-32
• 3.2.3 降雨、地下水、深部位移數(shù)據(jù)采集電路32-34
• 3.2.4 本地存儲器電路34-35
• 3.2.5 無線通信電路35-36
• 3.2.6 節(jié)點定位和時間同步電路36-37
• 3.2.7 節(jié)點供電系統(tǒng)電路37-38
• 3.3 數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點電路設(shè)計38-39
• 3.4 本章小結(jié)39-41
• 第4章 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計41-52
• 4.1 μC/OS-II操作系統(tǒng)在監(jiān)測節(jié)點上移植41-44
• 4.1.1 μC/OS-II操作系統(tǒng)介紹41-43
• 4.1.2 μC/OS-II在STM32F407上的移植43-44
• 4.2 FatFs文件系統(tǒng)在監(jiān)測節(jié)點上的移植44-46
• 4.2.1 FatFs文件系統(tǒng)介紹44-46
• 4.2.2 FatFs文件系統(tǒng)在STM32F407上的移植46
• 4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計46-48
• 4.3.1 聲發(fā)射信號采集程序設(shè)計46-47
• 4.3.2 RS-485總線上監(jiān)測數(shù)據(jù)程序設(shè)計47-48
• 4.4 WSN應(yīng)用層程序設(shè)計48-51
• 4.4.1 WSN文件傳輸程序設(shè)計48-49
• 4.4.2 遠(yuǎn)程通信程序設(shè)計49-50
• 4.4.3 分布式數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計50-51
• 4.5 本章小結(jié)51-52
• 第5章 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)測試52-57
• 5.1 WSN性能測試52-53
• 5.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點測試53-55
• 5.3 數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點測試55-56
• 5.4 本章小結(jié)56-57
• 結(jié)論57-59
• 致謝59-60
• 參考文獻(xiàn)60-62
• 攻讀學(xué)位期間取得學(xué)術(shù)成果62

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