小型水域水下监测通信平台的设计及实验

发布时间：2017-04-04 23:10

  本文关键词：小型水域水下监测通信平台的设计及实验，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人们对水环境的日益重视,以及水资源稀缺、水污染等影响人类生活的现象日渐频繁,建立起对水环境足够的监管力度成为了我国乃至世界上许多国家的政府迫在眉睫的任务。对于小型水域(江河湖),我们需要传感器节点来监测其温度、化学成分、pH值等等各类参数,这些节点一般是被安装在水中需要长期监测。于是,开发一种低成本的、高效的、低功耗的适用于此类小型水域的水下监测平台则具有很强的现实意义。本文在此背景上研发了一种具有水下监测功能的平台,通过在水中安放监测节点,对小型水域的水质进行监测。设计的过程包括通信硬件电路的设计、通信调制解调模式的选择及程序编写、通信协议的编写以及实验室环境和开放性湖水中的实验测试。在总结了各类通信方法的情况下,本文选择了水下声通信作为通信的载体。而由于水下声信道本身具有的多径效应、多普勒效应和时空畸变等特性,传统的通信编码方式往往需要高性能高主频的主控芯片来实现。本文创新性地引入线性调制编码(Chirp FSK)的方法,并将其通信程序编写在低功耗的MCU芯片中,在保证通信正确率和速率的情况下,实现了节点的低功耗运行。为了保证通信的可靠性,本文单独设计了用于激发和接收声波信号的电路,采用了RFID式的唤醒模式来实现系统的超低功耗运行。发射电路方面,本文对比了多种功放电路,设计了最为有效但节能的放大电路；接收电路方面,本文结合了生物电微弱信号放大电路的设计方法和射频电路中的威尔金森功分器电路原理,设计了高可靠性的滤波放大电路,保证了通信的正确率。并在实验室环境中大量测试了通信样机,将其误码率控制在0.06%以内。在系统实现方面,本文设计了主从节点的通信方式,通过结合了移动节点和固定节点之间的信息,利用了传感器组网的方式,在水中建立监测网络。并选在半径为50-100米的开放性湖水中进行了测试,实现了对水环境的参数监测。
【关键词】：水质监测 水声通信 线性调制编码 TinyOS
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X84
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 背景和研究意义11-12
• 1.2 水声通信的国内外研究及发展现状12-14
• 1.3 水声通信监测平台的国内外研究及发展现状14-15
• 1.4 小型水域水声通信监测平台的特点15-16
• 1.5 论文的主要研究内容16-17
• 第2章 水声通信的概念及水下监测平台的网络结构介绍17-29
• 2.1 水声通信的基本概念17-24
• 2.1.1. 水声通信的特点17
• 2.1.2. 水声通信信道17-21
• 2.1.3. 水声通信常用通信方式21-24
• 2.2 水下监测平台的网络结构介绍24-26
• 2.3 小型流域水下监测平台的系统架构26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 水下监测平台节点的硬件设计29-54
• 3.1 水下监测平台节点设计方案综述29-32
• 3.1.1. 节点功能总述及设计原则29
• 3.1.2. 节点的功能设计29-32
• 3.2 水下监测节点系统数字电路设计32-35
• 3.3 水下监测节点通信发射电路设计35-42
• 3.3.1. 水声信号放大电路35-37
• 3.3.2. 信号功率放大电路37-40
• 3.3.3. 超声波换能器宽带匹配技术40-42
• 3.4 水下监测节点信号接收电路的设计42-53
• 3.4.1. 声纳技术43-45
• 3.4.2. 接收电路总体设计方案45-46
• 3.4.3. 接收电路设计46-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第4章 Chirp FSK的通信原理及实现54-70
• 4.1 Chirp FSK的调制解调原理54-61
• 4.1.1. Chirp FSK调制54-56
• 4.1.2. Chirp FSK解调56-61
• 4.2 水声通信系统发射接收程序设计61-67
• 4.2.1. 水声通信发射程序61-64
• 4.2.2. 水声通信接收程序设计64-66
• 4.2.3. Chirp FSK与其他常用调频方法的比较66-67
• 4.3 本章小结67-70
• 第5章 水下监测平台通信协议和测试实验70-88
• 5.1 水下监测平台网络通信协议软件开发70-75
• 5.1.1. 水下监测平台运行方式70-71
• 5.1.2. TinyOS操作系统简介71
• 5.1.3. 水下监测平台通信协议实现方式71-75
• 5.2 水下监测平台节点制作与实验环境75-79
• 5.2.1. 节点制作75-77
• 5.2.2. 实验环境介绍77-79
• 5.3 点对点通信实验79-84
• 5.3.1. 长时间通信79-80
• 5.3.2. 实验环境对比80-82
• 5.3.3. 多普勒效应实验82-84
• 5.4 水下监测平台试验84-87
• 5.5 本章小结87-88
• 第6章 总结与展望88-89
• 参考文献89-93
• 攻读硕士学位期间主要研究成果93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：286059