毕业设计(论文)-无线环境监测装置设计.doc

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 Zigbee 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 micro-sensor nodes form by self-organized wireless network. Much international attention as one of today's 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, low 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 environmental 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 environmental 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 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 monitoring 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 monitoring 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 monitoring 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、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、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-Node)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、 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 物理层 QoS OMC 图 1-2 WSN 网络协议 物理层协议:物理层负责数据的调制、发送与接收。 MAC 层协议:MAC 层负责数据帧生成、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制， 减少相邻节点引起广播风暴。 数据链路层协议:通过数据链路层可以实现数据融合，实现数据链路的选择。 传输控制层协议:传输控制层负责数据流的传输控制，协作维护数据流，是保障通信 质量的重要部分。 应用层协议:基于用户任务，在应用层上开发和使用不同的应用层软件。 时间同步和节点定位：时间同步服务为协同工作的节点同步本地时钟;节点定位服务 依靠有限的己知节点位置，确定其他节点的位置，在系统中建立起一定的空间关系8。 OMC:主要是实现在传感器网络环境下对各种资源的管理，为上层应用服务的执行提 供一个集成的网络环境。 QoS:支持是指为用户提供高质量的服务，通信协议中的各层都需要提供 Qos 支持。 1.2 无线传感器网络在环境监测中的应用 在进行环境监测时，有时会遇到监测区域较广，条件恶劣且长期无人值守，环境较 脆弱等情况。应用于环境监测的传感器网络除了应具备其一般特征外，还应重点考虑传 感器节点的设计、节点部署、能量管理、高效的通信机制、如何提高网络可靠性等问题。 (l)传感器节点设计及节点部署:用于环境监测的传感器点需要满足体积小、精度高、 生命周期长等要求。由于监测环境的复杂性，要尽量减小传感器节点的体积，并采用异 构的传感器节点。为了准确获得环境参数，需要高精度传感器，在部署节点时要注意延 长传感器使用的有效时间。 (2)能量管理:对一些长时间无人值守且连续工作的监测的环境，对传感器节点的能 铜陵学院毕业论文（设计） -5- 量供应提出了很高的要求。传感器节点执行不同的操作所消耗的能量是不同的，比如传 送一个数据包消耗的能量比接受一个数据包消耗的能量要多，这就需要设计高效的能量 管理策略和路由算法。 (3)提高可靠性:恶劣的环境条件、野外自然条件的变化(例如太阳磁暴)、被监测对 象的改变以及大范围的监测等因素都对传感器网络的可靠性提出了更高的要求，在设计 时应该在选择无线通信协议，设计组网算法等方面考虑如何提高网络运行的可靠性。一 个适用于环境监测的传感器网络，应该是一个层次型的网络结构，最底层是部署在实际 监测环境中的传感器节点，向上依次是传输网络和基站。为了获得准确的数据，部署的 传感器节点往往密度很大，并且可能部署在若干个不相邻的监测区域，从而形成多个传 感器网络。每个传感器网络中的传感器节点将感应到的数据传送到各自的网关节点，即 前面提到的汇聚节点。网关节点经由一个传输路径将数据发送到基站。基站可以是能够 和 Internet 相连的一台计算机，以便数据远传，它应该还具有一个本地数据库以缓存传感 数据。研究人员可以通过任意一台连入网络的终端访问基站，或者向基站发出命令。 根据要求构建的无线传感器网络与传统环境监测手段相比，具有以下明显的优势: (1)构成自组织的动态网络，无需人工干预即可自动组网，长期正常工作。传感器节 点可自动加入、断开网络，在监测点数量或位置需要经常变动时，极为方便。 (2)传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此可以认为部署传感器网 络对所监测环境影响很小。这一点在对外来生物活动敏感的环境中尤其重要。 (3)传感器节点数量很大，分布密度高，每个节点可以监测到局部环境的详细信息并 汇总到基站。因此传感器网络具有数据采集量大，精度高的特点。 (4)无线传感器网络的节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据环境的变 化进行较为复杂的监测。传感器节点还具有无线通信的能力，可以在节点间进行协同监 测。 为了满足环境监测的要求，构建合理、高效的监测网络，充分发挥无线传感器网络 的优势，选择合适的无线通信协议是至关重要的。综合各方面因素，本文选择 ZigBee 作 为无线环境监测网络的通信协议。 1.3 Zigbee 简介 ZigBee 是一种低功耗、低速率、低成本、低复杂度的短距离双向无线通信技术，主 要面向消费电子、家居和楼宇自动化、工业控制、计算机外设、医疗护理等领域的应用9。 1.3.1 Zigbee 协议栈 ZigBee 协议栈是参考标准的开放系统互连模型而设计的，主要包括物理层、媒质访 问控制层、网络层和应用层.物理层和媒质访问控制层规范来自 IEEE802.15.4 标准，它定 义了在无线个人局域网络（WPAN）内部使用低数据速率、低功耗和低复杂度的短距离射 频设备进行数据通信的协议和互操作性。以此为基础，ZigBee 联盟制定了上层协议网络层 无线环境监测装置设计 -6- 和应用层规范。ZigBee 网络中区分 3 种类型的设备：协调器、路由器和终端设备.协调器是 网络中第一个上电的设备，负责选择工作信道和网络标识符，建立 WPAN 网络。路由器 的职责包括：允许其他设备加入网络；支持多跳路由数据包；协助它的休眠子结点进行 网络通信等.路由器的存在与否直接决定了网络拓扑结构，因此路由器通常都是不能休眠 的，需要直流电源供电10。终端设备是网络中数量最多的节点类型，它们上电后扫描工作 信道，试图找到一个已经存在的网络并加入其中.终端设备负责采集信息，并通过网络上 传数据。 1.3.2 Zigbee 与其他几种通信协议的比较 目前，除了本课题采用的 ZigBee 技术外，还存在许多其他无线通信技术，下面将对 这些技术作简单的介绍和分析比较，以便更好的了解它们各自的性能和应用领域。 红外:该标准采用 980nm 的红外光传输数据信息，通信距离通常不超过 10m 并且通 信角度不能超过 300。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成本 低廉的特点。IrDA 用于工业网络上的最大问题在于只能在 2 台设备连接，并且存在视距 角度问题。 无线射频识别11(RFID):是一种非接触式的自动识别技术。最简单的 RFID 系统由标 签(Tag)、阅读器(Reader)和天线 3 部分组成，在实际应用中还需要其他硬件和软件的支 持。其通信距离一般只有几米。 蓝牙 (Bluetooth):它是一种用于代替便携或固定电子设备上电缆或连线的短距离无线 通信技术。它工作在 2.4GHz 的 ISM 频段上，采用每秒 1600 次的扩频技术，通信距离为 10m，传输速率能达到 3Mbps。在传输数据信息的同时，还可以传输一路语音信息，是蓝 牙技术的一个重要的特点。然而对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供 25OkB 的 系统开销，增加了系统成本和集成复杂性。Bluetooth 对每个“Pic net”(微微网)只能配置 7 个节点的限制，极大的制约了它在大型传感器网络中的应用。 WiFi: 它属于 IEEE802.11 规范。IEEE802.1112最初在 1997 年提出,主要目的是提供 WLAN 接入，也是目前 WLAN 的主要技术标准。IEEEsoZ.11 流行的几个版本包括“a”(波 段 5.8G 吮，带宽为 54MBps)、 “b”(波段 2.4GHz，带宽为 11MBps)、 “g”(波段 2.4GHz， 带宽为 22MBps)。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。其优异的带宽以 大的功耗为代价，大多数便携 WiFi 装置都需要常规充电。这些限制了它在工业场合和其 他监测领域的推广和应用。 相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee 技术是功耗和成本最低的。ZigBee 技术数 据传输速率低的特点，决定了它适合于承载数据流量较小的文本数据传输。网络容量大 的特点使得构建大规模监测网络成为可能。ZigBee 的这些技术特性决定了它是无线传感 器网络的上佳选择，这也是本课题在构建无线环境监测网络时，选择 ZigBee 作为无线通 信协议的原因。 铜陵学院毕业论文（设计） -7- 第二章第二章 ZigBeeZigBee 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 2.1 方案选择分析 基于无线传感器网络的环境监测系统正是为应对现有环境监测手段的不足而设计的， 它应该满足下列要求。 (l)实现多节点、多参数的数据采集。这有两个方面的含义:第一，传感器节点具备 处理多个传感器输入的能力，以便获知同一监测点多个环境参数的数据。第二，传感器 节点可协调工作，实现多节点参数采集。例如有时需要同时采集监测区域内的某个参数， 以便计算监测区域内该参数在某时刻的平均值。 (2)节点位置变更容易。为克服现有监测手段的缺点，构建完成的网络应是动态的、 节点可移动的网络，以适应监测点或监测范围变化的情况。 (3)节点容易部署。网络中的节点应具备体积小、结构紧凑等特点，容易完成部署。 (4)传感器节点需满足低功耗要求。环境监测多在野外或无人照看的状态下进行，而 传感器节点一般采用电池供电且需要不间断地工作。这就对节点的功耗提出了较高要求。 除了上述要求外，网络的覆盖范围、节点的成本及数据传输的安全性和可靠性也是 必须考虑的因素。 网络中的各个节点构成了网络数据传输的硬件平台，是实现网络功能的基本保障。 所以在设计网络总体方案之前，应对节点硬件应具备的性能作出分析。 首先，MCu(微控制器)是整个硬件电路的核心，其性能应当满足环境监测的需要: (l)处理速度快:网络中的传感器节点和汇聚节点都会同时运行多个任务。MCU 的处理 速度快，才能及时地响应各个任务，避免造成网络阻塞。 (2)拥有较大的程序存储空间。由于网络协议栈和应用程序都要存储在程序存储器中， 所以传感器节点和汇聚节点的 MCU 程序存储器应该有较大空间。另外，汇聚节点还应具 备较大空间的数据存储器，以保存网络的各种信息。 (3)功耗低。传感器节点的电池供电方式，决定了 MCU 的工作电压必须较低，而且 正常工作时应满足低功耗的要求。 (4)传感器节点的 MCU 最好具备 A/D 转换能力，减少外围器件的使用，从而有利于 减小节点体积，降低节点功耗。其次，射频模块负责数据的无线收发，它应该为数据可 靠、稳定的传输提供保证。由于数据的发送和接收是消耗网络节点能量的重要环节，所 以其功率应该较低。 除了上述两方面外，传感器节点上使用的传感器也是必须考虑的因素，因为它直接 影响着传感器节点的体积和性能。环境监测传感器网络中使用的传感器应具备如下特点: 能够在条件恶劣的环境下工作；工作电压低，满足低功耗要求;尽量采用高度集成的数字 式传感器，以减小节点体积。由此可见，无线传感器网络对传感器提出了更高的要求， 这也从一个侧面反映出，无线传感器网络的发展，需要多项技术的共同推动。最后，在 无线环境监测装置设计 -8- 搭建网络硬件平台时，还应考虑系统的扩展性和成本问题。由于搭建完成的硬件平台应 用到不同的监测场合时，监测要求会随之而变，所以预留充足的扩展空间十分重要。此 外，在满足监测要求，保证系统的先进性、可靠性和扩展性的基础上，应尽量降低成本， 以提高市场竞争力。 从上面的分析可以看出，选择一种合适的无线通信协议，是编写高性能网络软件的 关键。然而，目前具有影响力的适用于无线传感器网络的通信协议较少，而且很多被某 个机构所拥有，不对外公布或需要收取昂贵的专利费用。ZigBee 的出现，为人们构建无 线传感器网络提供了一种很好的选择。本文在第一章介绍了 ZigBee 技术的特点。它的这 些特点，使其可以较好的满足环境监测的要求。所以选择 ZigBee 作为构建无线环境监测 网络的通信协议是一种较好的解决方案。 2.2 系统组成和工作原理 2.2.1 网络总体结构 根据环境监测的需求，建立的网络总体结构如图 2-1 所示，本系统主要由信息中心、 通信组件和无线传感器网络三部分构成。 G GS SM M/ /C CD DM MA A/ /T TD D- - S SC CD DM MA A/ / 主主 节节 点点 主主 节节 点点 N NO OD DE ES S- -N NO OD DE ER R- -N NO OD DE E 监监测测区区域域 P PC C机机 通通信信组组件件 图 2-1 网络总体结构 监测网络13的最底层是部署在实际监测环境中的传感器节点，向上依次是数据汇聚 节点和计算机终端(数据处理中心)。若干个传感器节点和一个汇聚节点通过自组织形式 构成 ZigBee 网状网络。传感器节点完成数据采集和发送的任务，部分传感器节点还具备 消息转发的中继功能，成为路由节点，汇聚节点是一个数据处理能力和存储能力都较强 的 ZigBee 节点，充当网络协调器的角色。它除了负责发起和管理整个网络外，还接收网 络内所有传感器节点的数据，并将这些数据进行融合处理后上传至计算机。计算机负责 数据的当地显示和本地数据库存储，可以将数据通过 Internet 传至远程计算机。 铜陵学院毕业论文（设计） -9- 2.2.2 硬件结构解决方案 由于所设计的环境监测网络是基于 ZigBee 技术的，所以选择合适的 ZigBee 硬件解决 方案是搭建网络硬件平台的关键。ZigBee 协议自诞生以来，己经历了 3 年多的发展时间， ZigBee 产品也由最初的仅提供无线收发功能的芯片，发展到将 MCU 和无线射频控制器等 集成到一个芯片中的阶段，这在大大缩小产品体积的同时，也方便了应用的开发。 JN5121 是唯一一款集成了 32 位高性能 MCU 的 ZigBee 芯片，它的发射功率在四种芯片 中也最低。其程序存储器虽只有 64KB，但是 Jennic 公司额外提供了 128KB 的 Flash，完 全可以满足开发的需要。另外，CC2430 的单芯片解决方案，使其价格低于其它芯片， Jennic 公司提供的系列模块的数据传输距离可达几百米。 考虑器件的性能、价格、体积和功耗等因素，选用广泛应用于环境监测的高精度数 字传感器 SHTll 测量温度和湿度。它只需 2.4V 供电，功耗仅为 30mw，温度测量范围可 达-40至 +l23.8，温度的测量精度可达士 0.4。光照强度的测量选用了美国 TAOS 公司的 TSL2561 传感器，它最小可用 2.7V 电压供电，工作时功率仅为 0.75mW。 由于 ZigBee 网络数据传输速率较慢，所以基站与计算机采用了串行口通信方式，串 行口芯片选用 ADM3312。此外，为方便通信，ZigBee 节点预留 Rs-485 接口，485 通信 芯片选用 SP485。网络中的所有传感器节点采用两节 7 号电池供电，而汇聚节点和计算机 采用连续供电的方式。 2.2.3 网络软件结构解决方案 系统的程序开发平台包括前端的 ZigBee 网络软件开发平台和计算机软件开发平台两 部分。本文采用 Visual C6.0 开发计算机端程序，实现数据的串口读写、实时动态显示和 数据库的访问，利用 SQLServer2000 数据库管理系统实现历史数据的存储。至此，ZigBee 无线环境监测网络的总体框架己经建立。 2.3 方案需解决的关键问题 本文所设计的 ZigBee 无线环境监测网络没有基础设施，每个节点都可以随时进入和 离开网络，整个网络分布式运行，这给网络管理提出了更高的要求。为实现节点连接和 业务传输的基本功能，网络中的数据传输、节点间通信管理应该被重点考虑。此外，由 于环境的不稳定性和不确定性，再加上能量和带宽的限制，ZigBee 无线环境监测网络14 还必须考虑网络搜索、网络控制、路由发现、协同信息处理、网络安全和节点电源管理 等方面的问题。 2.3.1 网络节点间的通信与协同信息处理 网络节点间的数据传输是环境监测网络运行的主要任务，它包括传感器节点与汇聚 无线环境监测装置设计 -10- 节点之间的数据交换和传感器节点之间的数据交换两种形式。首先，网络中的传感器节 点应该都能够通过间接或直接的方式与汇聚节点通信，保证把采集到的数据发送到汇聚 节点。其次，网络中部分传感器节点之间也应能互相通信，保证节点间的协调工作，这 一功能是通过端点绑定来实现的。为此，在设计网络时，部分传感器节点采用了间接绑 定的方式，建立虚拟通信链路，实现端点间的通信。 2.3.2 网络安全及能量管理 网络中的数据传输有时是需要保密的，而无线链路使网络容易受到链路层的攻击， 包括被动窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏等攻击方式。ZigBee 协议的各层都能够 为网络安全提供服务，提供了 128 位的 AES 加密算法。此外，ZigBee 协议在物理层采用 了直接序扩频技术抑制噪声干扰，MAC 层提供了 CRC 校验功能，编写程序时，通过 Jennic 公司提供的 API 函数可以使能 ZigBee 安全策略。在一些必要的地方，应用程序也定义了 自己的握手协议，使数据传输更加安全和可靠。从环境监测网络的需求分析可以看出， 传感器节点功耗是建立监测网路时必须考虑的问题。为了解决这一问题，除了在搭建硬 件平台时，通过设计合理的硬件电路，重点考虑所用器件的功率等措施降低传感器节点 的功耗外，在编写程序时也从多方面着手解决这一问题: (l)合理设置传感器节点的工作模式：在布置网络时，可以根据传感器节点的功能， 设置其工作模式，使之在需要采集、发送数据时才正常工作，其余时间可处于睡眠状态; (2)根据不同的传感器节点和监测需求设置合理的采样间隔时间，延长电池使用寿命; (3)采用合适的路由发现模式降低信息传输的能量消耗； (4)设计合理的绑定关系，使传感器节点既能完成既定功能，又能避免不必要的通信 造成的能量损耗。 铜陵学院毕业论文（设计） -11- 第三章第三章 ZigBeeZigBee 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 硬件平台的设计是整个环境监测网络的基础，只有当硬件定型之后，软件部分的一 些具体设计才能开始。好的硬件平台可以平衡网络性能和成本之间的关系，本章在硬件 方案设计的基础上，详细描述了网络硬件的总体结构和节点硬件电路每个模块的设计思 想和实现过程。 3.1 网络系统的总体硬件结构 本系统的协调器节点、路由器节点、传感器节点按网状拓扑形成网络结