完整版基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现毕业论文.docx
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完整版基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现毕业论文
HUNANUNIVERSITY
毕业设计(论文)
设计论文题目:
基于ZigBee的多点温度
采集系统设计与实现
学生姓名:
宋强军
学生学号:
专业班级:
通信工程三班
学院名称:
信息科学与工程学院
指导老师:
肖玲
学院院长:
章兢
2011年6月1日
基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现
摘要
随着生产技术的发展,温度数据检测技术广泛应用于工业远程控制系统,并逐步显示出远程和网络的特性。
传统的温度采集系统,主要方式是有线连接节点,此方法的特点是布局复杂和可扩展性差。
事实上,在某些领域有线连接方式甚至不能应用。
因此,最理想的方法是采用无线连接收集和传送数据。
作为新兴的短距离,低功耗低成本的无线通信技术,zigbee已广泛应用于工业控制,消费性电子,家电自动化,医疗监控等领域。
本文在对无线传感器及其网络协议技术分析的基础上,设计出一种基于zigbee为基础的无线温度采集系统。
用基于zigbee网络的无线方式通过温度测量节点收集温度数据。
通过串口通信线路连接主要节点和前端电脑。
然后,电脑存储温度数据至数据库,以便实现数据的统一管理。
论文首先介绍了Zigbee技术研究内容以及无线传感器网络的研究现状。
随后总结了Zigbee技术的优点,接下来对Z-Stack协议栈结构进行了分析。
接着介绍了系统的硬件和软件设计。
首先从硬件方面论述了温度传感器模块、数据汇聚模块的系统构成。
接着论述了系统的软件设计,主要对上位机用户监控界面的设计和温度传感器模块、数据汇聚模块的设计这三部分进行了介绍。
数据汇聚模块实现组建网络、分配网络地址的功能,温度传感器模块实现加入网络、数据采集、数据存储、数据上传、通信、等功能。
关键词:
Zigbee,无线传感器网络,多点温度采集,Z-Stack
DesignandRealizationofMulti-NodeTemperature
AcquisitionSystemBasedonZigBee
Abstract
Withthedevelopmentofproducingtechnology,monitoringtechniquesoftemperaturedataarebeingappliedtoallkindsofindustrialprocesscontrolsystemsandgraduallyshowingthefeatureoffar-distantandnetworking.Inthetraditionaltemperatureacquisitionsystem,themethodtoconnectnodesiswired,thiswaypossessesthecharacteristicofcomplexlayoutandpoorextensibility.Infact,thewiredwayevencannotbeutilizedinsomeapplication.Therefore,theidealwaytocollectandtransmitdataisemployingwirelessconnection.Asakindofemergingshort-distant,low-powerconsumptionandlow-costwirelesscommunicationtechnology,ZigBee,medicalmonitoringandsoon.
InthisPaper,onthebasisofthewirelesssensornetworkProtocolanalysistechnology,,akindoftemperatureacquisitionsystemwhichbasedonZigBeewirelesstransmissiontechnologyisdesignedinthisarticle,thetemperaturedatacollectedthroughthetemperaturemeasuringnodesistransmittedtothemajor-nodebyZigBeenetworkinawirelessmethod,themajor-nodecommunicateswiththeuppercomputerthroughtheserialportline,thereafter,thePCstoresthetemperaturedataintothedatabaseinordertorealizingtheuniformlycontrolofthedata.Firstly,thegeneralresearchsituationinthefieldofZigbeeandthedevelopmenttrendarereviewed.ItalsoreviewstheresearchcontentoftheWSN.ThenthepaperdiscussesthenetworkStructure.Followingthepapertakesanin-depthstudyoftheZ-StackdesignedbyTI.Inthefieldof,thestructureofmodulesisdescribedindetailsincludingthetemperaturesensormoduleandthedataacquisitionmodule.Inthesoftwaredesign,GUIandmodule’ssoftwarearediscussed,whichincludestheformationofnetworks,addressassignment,jointhenetwork,dataacquisition,datastorage,dataupload,communication.
Keywords:
Zigbee,wirelesssensornetwork,Multi-NodeTemperatureAcquisition,Z-Stack
1绪论1
1.1无线传感器网络1
1.1.1无线传感器网络概况1
1.1.2无线传感器网络应用现状2
1.1.3无线传感器网络未来展望2
1.2基于Zigbee技术的无线传感器网络2
1.3本文主要结构3
2TIZ-Stack协议栈4
2.1Zigbee协议介绍4
2.1.1Zigbee协议栈结构4
2.2Zigbee网络拓扑结构6
2.3Z-Stack协议栈介绍7
2.3.1网络寻址7
2.3.2绑定9
2.3.3路由协议9
2.3.4消息发送函数9
2.3.5网络的组建过程10
2.3.6消息接收函数10
2.4本章小结11
3系统介绍13
3.1系统的整体介绍13
3.2系统硬件介绍13
3.2.1主要硬件简介13
3.2.2温度传感器模块电路原理图15
3.2.3数据汇聚模块(协调器)18
4软件设计实现19
4.1上位机(PC机)监控界面19
4.2模块的软件设计20
4.2.1数据汇聚模块(协调器)的软件设计22
4.2.2温度传感器模块(终端节点)的软件设计26
4.3本章小结29
5总结与展望30
5.1总结30
5.2展望30
致谢32
参考文献33
1绪论
1.1无线传感器网络
1.1.1无线传感器网络概况
无线传感器网络与传统的网络不同,它是以数据为中心的自组织无线网络,网络的节点部署密集,网络拓扑结构动态变化。
无线传感器网络与现有的传感器系统相比,具有以下几个特点:
第一,无线传感器网络节点需要工作在低功耗的状态。
在无线传感器网络中,由于节点体积较小,限制了每个节点的能源是十分有限的,而且受工作环境等因素的影响,更换电源的成本很高,只要电源耗尽,节点的功能就会失效。
当大部分节点能源耗尽退出工作状态时,整个网络也就处于瘫痪状态了。
所以只有减小节点功耗,才能延长网络的寿命。
第二,无线传感器网络具有自组织的特点。
相对与有线网络,无线传感器网络基本不需要人工干预。
通常情况下,各个节点可以相互协作建立它们之间的连接,完成网络的初始化、启动监测任务、网络的故障自我修复等一系列工作。
要实现上述功能,网络必须具备自组织的能力,即各个传感节点能够感知相邻节点工作状态的变化,通过相互通信得知网络拓扑结构的变化,维护网络结构的正常运行,适应网络的动态性。
第三,无线传感器网络节点部署具有分布性。
通过部署大量的传感节点,各个节点对其附近的区域进行监测,全部的节点可以对整个完整区域进行监控。
区域的空间越大,它各个部分的环境信息的差异也会越明显,在这种情况下,局部节点监测到的信息是不能够代表整个区域的情况。
由于传感器节点具有成本较低的优势,我们可以大量部署此类节点在整个监测区域内,使得监测区域的每个角落都可以被覆盖住,这样就可以获得比较准确的整体信息,通过一些相应的数据融合算法,可以宏观把握整个区域的完整信息。
第四,无线传感器网络的数据处理具有分布性。
它是以数据为中心的网络,而不是以通信为中心的。
在无线传感器网络的数据处理过程中,不是把每一个传感节点的数据汇总到中心节点来进行处理的,每个节点都具备数据处理能力,它们将先对数据进行处理,然后再传输到数据中心节点。
这样既减少了网络流量,也降低了功耗,减少了数据的冗余度[1]。
1.1.2无线传感器网络应用现状
最近几年,由于成本的降低,无线传感器网络已经大规模应用在如下几个领域中:
1)环境监测
由于环境污染问题日益突出,人们对与环境的保护越来越关注,对于环境的监测需求相应增加。
无线传感器网络为环境监测时采集数据提供了便利,并且还可以减少对环境的破坏。
无线传感器网络可以跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究环境变化对农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等。
2)医疗护理
无线传感器网络也可以应用在医疗研究和护理领域。
英特尔公司推出了无线传感器网络的家庭护理技术。
该系统通过在鞋、家具以家用电器等家用设备中嵌入半导体传感器,帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。
3)军事领域
由于无线传感器网络节点造价低廉,可以密集随机的分布在各种恶劣的战场环境中,包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资,判断生物化学攻击等多方面用途。
目前无线传感器网络还存在着如下问题:
1)网络内节点的通信问题。
传感器节点在正常通信过程中,信号可能被一些障碍物阻挡而受到影响,怎样提高传感器节点的穿透性是亟待解决的问题。
2)延长传感器网络的使用寿命。
现在一般使用高能电池、降低传感节点的功耗两种方式来解决这个问题。
此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术,但这两项技术尚在研究中,还不成熟。
1.1.3无线传感器网络未来展望
无线传感器网络有着十分广泛的应用前景,除了在工业、农业、军事、环境、医疗等领域有具有巨大的运用价值,在未来还将在许多新兴领域体现其优越性,如家用
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