毕业设计(论文)-无线环境监测装置设计.doc
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1、学学 号号 毕毕 业业 论论 文(设计)文(设计) 课课 题题 无无线环线环境境监测监测装置装置设计设计 学生姓名学生姓名 系系 别别 电气工程系电气工程系 专业班级专业班级 06 级电子信息工程级电子信息工程 指导教师指导教师 二二 0 一一 0 年年 5 月月 目目 录录 插图清单插图清单I 摘摘 要要.II ABSTRACTIII 引引 言言 .1 第一章第一章 绪绪 论论 .2 1.1 无线传感器网络 .2 1.1.1 WSN 的发展历程.2 1.1.2 WSN 的体系结构.2 1.1.3 WSN 网络协议分层结构.3 1.2 无线传感器网络在环境监测中的应用 .4 1.3 Zigbe
2、e 简介.5 1.3.1 Zigbee 协议栈.5 1.3.2 Zigbee 与其他几种通信协议的比较.6 第二章第二章 ZIGBEE 无线环境监测网络总体架构的建立无线环境监测网络总体架构的建立.7 2.1 方案选择分析 .7 2.2 系统组成和工作原理 8 2.2.1 网络总体结构.8 2.2.2 硬件结构解决方案.9 2.2.3 网络软件结构解决方案.9 2.3 方案需解决的关键问题 9 2.3.1 网络节点间的通信与协同信息处理9 2.3.2 网络安全及能量管理.10 第三章第三章 ZIGBEE 无线环境监测网络硬件结构的设计无线环境监测网络硬件结构的设计.11 3.1 网络系统的总体
3、硬件结构 11 3.2 ZigBee 核心模块-CC2430 .12 3.3 传感器节点硬件电路设计 .14 3.4 路由器节点硬件电路设计 .14 3.5 协调器节点硬件电路设计 .14 第四章第四章 ZIGBEE 无线环境监测网络的软件设计无线环境监测网络的软件设计.15 4.1 系统总体软件结构 .15 4.2 下位机软件程序的开发 16 4.2.1 传感器节点数据采集程序.16 4.2.2 协调器节点数据程序.19 4.3 上位机程序设计 .19 4.3.1 计算机串口驱动程序.20 4.3.2 数据的实时显示.20 4.3.3 数据存储和历史数据的查看.20 4.4 网络节点程序的开
4、发 .21 4.4.1 备初始化程序.22 4.4.2 汇聚节点的组网.23 结结 论论 .24 参考文献参考文献 .25 译译 文文 .26 译文原文译文原文 .28 致致 谢谢 .31 铜陵学院毕业论文(设计) -I- 插图清单插图清单 图 1-1 无线网络传感器体系结构. .3 图 1-2 WSN 网络协议. .4 图 2-1 网络总体结构. .8 图 3-1 系统原理图. .11 图 3-2 CC2430 的外接电路图. .13 图 4-1 系统软件总结构. .15 图 4-2 传感器节点数据采集流程图. .16 图 4-3 温湿度采集流程图. .18 图 4-4 终端设备的应用层程序
5、流程图. .22 无线环境监测装置设计 -II- 无线环境监测装置设计无线环境监测装置设计 摘摘 要要 无线传感器网络是由大量具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点通过自组织 方式构成的无线网络。它作为当今备受国际关注的一项前沿技术,被广泛应用于各种分 布式采集领域。ZigBee(紫蜂)技术是一种 2004 年底才推出的无线通信技术,具有低成本、 低功耗和低速率的特点,成为担当组织无线传感器网络重任的上佳选择。 本文在分析了无线传感器网络应用于环境监测领域的需求和 ZigBee 协议结构的基础 上,设计了适用于环境监测的网络拓扑,构建了底层为若干传感器节点,中间层为数据 汇聚节点,上层为计算
6、机的多层网络结构。以 ZigBee 模块为核心搭建了网络硬件平台。 最后对所构建的 ZigBee 无线环境监测网络进行软件开发:制定了网络的组网方法,使网络 能够快速形成;设计网络节点间的通信方式和数据传输机制,实现了环境数据的协调采 集和多跳上传;编写了网络动态管理程序,使传感器节点能自由加入或脱离网络。在计 算机端,利用 Visua1C-6.0 编写了串口驱动程序和 SQLServe:2000 数据库的访问程序, 实现了数据的实时显示和数据库存储。 本文所构建的 ZigBee 无线环境监测网络支持临时安装,可自动组网,数据自动上传, 监测点数量、位置可随时变化,实现了多节点、多参数的数据采
7、集,弥补了现有监测手 段设备复杂,在监测区域需大量布线、需建设大量基础设施,监测点位置不易变化,对 突发事件无能为力等不足,为环境监测提供了一种新的方法。 关键词关键词:ZigBee;无线传感器网络;环境监测 铜陵学院毕业论文(设计) -III- Design of Wireless Environmental Monitoring Device Abstract Wireless sensor networks have the perception by a large number, computing and communication capabilities of the micr
8、o-sensor nodes form by self-organized wireless network. Much international attention as one of todays leading-edge technology, used widely in various areas of distributed capture. ZigBee (purple bee) is a technology introduced until the end of 2004 for wireless communications technology, low cost, l
9、ow power consumption and low speed characteristics of a wireless sensor network task organization to play a good choice. Based on the analysis of wireless sensor networks used in the field of environmental monitoring requirements and based on the ZigBee protocol architecture designed for the environ
10、mental monitoring network topology, constructed a number of sensor nodes in the bottom, the middle layer of data aggregation node, upper computer multi-layer network structure. ZigBee module to build the network as the core hardware platform. Finally, the construction of ZigBee wireless environmenta
11、l monitoring network software development: development of a network Zuwang Fang law, so the network can be quickly formed; design of network communication between nodes and data transfer mechanism to achieve coordination of environmental data collection and multi-hop Upload; prepared dynamic network
12、 management procedures, so that sensor nodes can freely join or from the network. The computer terminal, using a 6.0 Visua1C written serial driver and SQLServe: 2000 access to the database program to achieve real-time data display and database storage. The constructed ZigBee wireless environmental m
13、onitoring network to support the temporary installation, automatic networking and automatic data upload, the number of monitoring points, the location may change at any time, to achieve a multi-node, multi-parameter data acquisition equipment to make up the existing monitoring tools complex, in moni
14、toring the region required a lot of wiring required to build large infrastructure, location of monitoring points difficult to change, inability to emergencies such as lack of environmental monitoring provides a new approach. 无线环境监测装置设计 -IV- Keywords: ZigBee; wireless sensor networks;environmental mo
15、nitoring 铜陵学院毕业论文(设计) -1- 引引 言言 随着传感技术、现代网络和无线通信等技术的不断进步,以及人们对监测、控制系 统提出越来越高的要求,20 世纪 90 年代末,美国发起了具有现代意义的无线传感器网络 技术的研究。其后,它引起了学术、军事和工业领域众多机构的关注,其研究工作也在 美国、欧洲等主要发达国家轰轰烈烈的开展起来1。作为将对 21 世纪产生巨大影响的新 技术之一,与传统网络相比,无线传感器网络2是一种以数据为中心的自组织无线网络。 具有可快速临时组网、网络拓扑结构可动态变化、抗毁性强、无需架设网络基础设施等 诱人的特点。基于这些特点,它被广泛应用于军事、环境监测
16、、智能家居、建筑物状态 监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索,以及机场、大型工业园区的安全检测等领 域。环境监测是无线传感器网络应用的一个方面,实验表明传感器网络在环境监测领域 具有非常明显的优势,可以为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小的环境监测 提供一个全新的手段。 而随着无线传感器网络技术在各领域越来越广泛的应用,对无线通信技术也提出了 更高、更新的要求。ZigBee(紫蜂)技术就是在这种背景下产生的。自从 2004 年 12 月, ZigBee 规范正式公布之后,短短几年时间,ZigBee 技术就以其低成本、低功耗、网络容 量大、传输时延短和可靠性高等特点,在环境监测、智能家居
17、、楼宇自动化、工业控制 等领域得到广泛应用。考虑到 ZigBee 技术的这些特点,本文在构建用于环境监测的无线 传感器网络时,采用 ZigBee 作为组建网络的无线通信协议3。 本文在分析了 ZigBee 网络协议和组建无线传感器网络需要解决的关键问题的基础上, 构建网状拓扑结构网络,之后根据环境监测的特点搭建硬件传输平台,最后编制软件实 现环境数据的实时、多节点采集、传输和处理。首先进行基础性分析,然后搭建网络平 台,最后通过编写程序完成系统功能,构成了本论文的总体框架,也是本文研究工作的 总体技术路线。该网络经一次性布置之后,可以在长期无人看守的条件下长期可靠运行。 网络监测点的数量、位置
18、可随时变更,为环境在线监测提供了一种新的方法。 无线环境监测装置设计 -2- 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 无线传感器网络 无线传感器网络4(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种特殊的 Ad-hoc 网络(多跳 无线网络),它由几十到上万个具有数据采集、无线通信和协同合作能力的传感器节点, 连接成一个动态、移动的多跳对等网。这些微型节点被随机或特定地部署在目标环境中, 通过一定的协议自组织起来,能够获取周围环境的信息并且相互协同完成指定任务。 1.1.1 WSN 的发展历程 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。最早的代表性论述出现在 1999 年,题 为“传
19、感器走向无线时代” 。随后在美国的移动计算和网络国际会议上,提出了无线传感 器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003 年,美国技术评论杂志论述未来新兴十 大技术时,无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年,美国商业周刊未来 技术专版,论述四大新技术时,无线传感器网络也列人其中。美国今日防务杂志更 认为无线传感器网络的应用和发展,将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变 革。2004 年(IEEE Spectrum)杂志发表一期专集:传感器的国度,论述无线传感器网络的 发展和可能的广泛应用。可以预计,无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社 会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大
20、的推动。 第一代传感器网络5出现在 20 世纪 70 年代。使用具有简单信息信号获取能力的传 统传感器,采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络;第二代传感器网络,具 有获取多种信息信号的综合能力,采用串,并接口(如 RS-232、RS-485)与传感控制器相 联,构成有综合多种信息的传感器网络;第三代传感器网络出现在 20 世纪 90 年代后期 和本世纪初,用具有智能获取多种信息信号的传感器,采用现场总线连接传感控制器, 构成局域网络,成为智能化传感器网络;第四代传感器网络正在研究开发,目前成形并 大量投入使用的产品还没有出现用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器, 采用自组织无线
21、接入网络,与传感器网络控制器连接,构成无线传感器网络。本文所介 绍的无线传感器网络就是指第四代传感器网络。 1.1.2 WSN 的体系结构 由于有线监测系统自身的局限性及各类环境的复杂性,本文提出的环境监测系统基于 无线传感器网络,在采集地散布无线传感器节点,这些节点通过自组织方式构成无线网络, 网络结构如图 1-1 所示。 铜陵学院毕业论文(设计) -3- GSM/CDMA/TD- SCDMA/ OMC NODES-NODER-NODE 图 1-1 无线网络传感器体系结构 图中无线传感器网络中监测节点(图中的 Node 和 R-Node)将检测数据通过无线收发 模块直接或通过其他节点(R-N
22、ode)转发的方式发送给主节点(S-Node),主节点不仅集成了 无线模块,还集成了网卡协议芯片,这使主节点具有 Internet 功能,可以将收到的数据发送 到 Internet,这样,安装了相应接收软件的上位机就能接收到这部分数据。 无线传感器网络由三个主要部分组成:传感器节点(Node、R-Node),汇聚节点(S- Node)和管理节点(OMC)。传感器节点被布置于被监测区域内,以自组织形式构成网络。 这些传感器节点把采集的数据通过 R-Node 传到 S-Node 节点,最终借助长距离或临时建 立的 Sink 链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。Internet、卫星和
23、移动 通信网络等通信方式可用作 Sink 链路。其体系结构图如图 1-1 所示。 网络中的传感器节点6通常包括传感器模块、处理模块、无线通信模块与电源模块 四部分。它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。从网络功能上看,每个传感器 节点具有采集、接收、处理和发送数据的功能。R-Node 节点还兼顾消息转发的功能,除 了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和发 送。S-Node 节点是一个微型的嵌入式系统,它的处理能力、存储能力和通信能力相对较 强负责将监测区域传感器节点数据通过 Internet Satellite GSM、 TD-SCDMA、 CDMA、
24、WCDMA 等网络传输到数据中心 OMC 进行处理。7 传感器节点的软硬件技术,S-Node 对传感器节点的管理和它们之间的通信是本文研 究的重点。而对 Sink 链路的研究,由于不是无线传感器网络的研究重点,而且 Internet、 卫星和移动通信网等通信技术已经十分成熟且应用实例较多,所以不再作为本文的研究 范围,在以后的章节中也不再详述。 1.1.3 WSN 网络协议分层结构 构建无线传感器网络需要无线通信协议作为支持。与互联网协议框架类似,无线传 无线环境监测装置设计 -4- 感器网络的协议框架也包括五层,如图 1-2 所示。 应用层 定位、时间同步 传输控制层 数据链路层 MAC 物
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- 毕业设计 论文 无线 环境监测 装置 设计
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