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1、. .地铁温度检测系统计划书目 录第一章 绪 论11.1 课题研究的背景和意义11.1.1 地铁温度检测系统的发展现状11.1.2 课题研究的意义11.2 无线传感器网络研究综述11.2.1 无线传感器网络概述11.2.2 无线传感器网络的特点21.2.3 无线传感器的研究现状及应用31.3 论文结构与研究内容4第二章 ZigBee技术的基础52.1 ZigBee技术概述52.2 ZigBee技术优点52.3 ZigBee协议栈结构62.4 ZigBee网络设备类型82.5 ZigBee网络拓扑结构82.6 ZigBee技术应用前景9第三章 温度传感器终端设计113.1 温度传感器终端设计的基
2、本原则113.2 温度传感器终端总体设计方案113.3 终端硬件设计123.3.1 射频收发芯片123.3.2 温度采集芯片 DS18B20 介绍143.3.3 协调器节点的硬件设计163.3.4 传感器节点的硬件设计163.3.5 上位机与协调器节点硬件电路设计173.3.6 系统电源设计183.4 系统软件设计18第四章 地铁站温度检测系统的实现224.1 总体方案设计224.2 下位机软件程序的开发234.3上位机程序设计244.3.1计算机串口驱动程序244.3.2数据的实时显示244.3.3数据存储和历史数据的查看254.4 无线网络的组建与数据传输254.4.1 树簇网组网设计25
3、4.4.2 终端设备入网设计274.4.3 数据传输设计284.5网络节点程序的开发294.5.1备初始化程序314.5.2汇聚节点的组网32第五章 地铁站温度检测系统的仿真335.1 实验平台的建立335.2 测试结果分析33总结与展望35参考文献36致 谢37参考资料第一章 绪 论1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 地铁温度检测系统的发展现状现有的火灾报警系统，多采用有线技术进行火灾传感网络的组建。这类方案的特点是扩展性能差，布线繁琐，影响美观。由于采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损，故障发生率较高，误报警率高。无线传输方式构建的无线火灾传感器网络恰好可以避免这些问题。相
4、对而言，无线的方式比较灵活，避免了重新布线，不再需要将网络的基础设施掩埋在地下或隐藏在墙里，无线网络可以适应移动或变化的需要；但是，无线通信技术在火灾监控领域的应用相对还是很少。这主要是因为目前没有一项无线通信技术适合在火灾监控领域进行广泛的推广，而且现有一些无线通信产品的价格偏高，导致无线通信技术在火灾监控中的应用停滞不前。1.1.2 课题研究的意义从21世纪开始,无线传感器网络引起了学术界、军界、工业界的极大关注,世界各国相继启动了关于无线传感器网络的研究计划,其应用领域也扩充到我们日常生活的各个角落，无线传感器网络的发展和广泛应用,已对人们的社会生活产业变革带来极大的影响并产生巨大的推动
5、。它的一个重要优势是摆脱了传统传感器网络的连线限制,解决了成本问题,通过传感器技术微处理器技术和无线通信技术的融合,大大缩短了人和自然之间的距离。随着近年来人类在微电子机械系统、无线通信、数字电子方面取得的巨大成就，使得发展低成本、低功耗、小体积、短距离无线通信的多功能传感器成为可能。ZigBee技术的出现就解决了这些问题。将无线ZigBee传感器网络和人工智能结合，可以大大提高火灾报警系统的可靠性。正是由于ZigBee技术具有功耗极低、系统简单、组网方式灵活、成本低、等待时间短等性能，相对于其他无线网络技术，它更适合于组建大范围的无线火灾探测器网络。1.2 无线传感器网络研究综述1.2.1
6、无线传感器网络概述无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏)等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，因此引起了人们广泛关注。无线传感器网络典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点(数量从几百到几千个)抛撒到需检测区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关(Sink node)是一个特殊的节点，可以通过In
7、ternet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。无线传感器网络与传统的无线网络(如WLAN和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。当然，从理论上讲，太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。在无线传感器网络的研究初
8、期，人们一度认为成熟的internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明：传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识(如地址等)的作用在传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据
9、处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短。低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。1.2.2 无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad-hoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：l 硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。l 电源容量有限。网络节点由电池供电，电
10、池的容量一般不是很大。其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。l 无中心网络。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的网络抗毁性。l 自组织网络。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。l 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直
11、接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。l 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。l 节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集
12、，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。1.2.3 无线传感器的研究现状及应用由于无线传感器网络的特殊性，其应用领域与普通通信网络有着显著的区别，主要包括以下几类。l 军事应用。军事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域，由于其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是数字时代战场无线数据通信的首选技术，是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。l 紧急和临时场合。在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等)可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就
13、需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采用无线传感器网络来进行信号采集与处理。无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。l 大型设备的监控：在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进行监控，以掌握设备的运行情况。在不便于安装有线传感器的情况下，无线传感器网络就可以作为一个可选的通信手段。l 卫生保健：可以在病人身上安装用于检测身体机能的传感器节点，这些信息汇总后，传送给医生，进行及时处理，为远程医疗创造条件。1.3 论文结构与研究内容本文的主
14、要内容是设计一种基于 ZigBee 无线传感器网络的温度检测系统。主要的研究内容包括：1、 温度信息的采集。关键在于选择合适的温度传感器，本文采用数字式温度传感器 DS18B20。2、 温度信息的传输与处理。通过 ZigBee 无线传感器网络建立一定范围的无线网络，将采集的温度信息上传到协调器节点进行实时检测。本论文共分为六章，具体结构如下：第一章 ：绪论简要介绍了课题研究的背景和意义，对无线传感器网络进行了概述，并介绍了本文的整体结构。第二章 ：ZigBee 技术的基础研究分析了ZigBee技术的特点、 网络拓扑结构、协议体系结构等。第三章 ：温度传感器终端设计分析了设计的基本原则，总体设计
15、方案，终端硬件设计和系统的软件设计。第四章 ：地铁站温度检测系统的实现介绍了总体的方案设计，其中包括数据是如何采集的，和无线网是如何组建的。第二章 ZigBee技术的基础2.1 ZigBee技术概述ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。在ZigBee技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。各层之间的接通过所定义的逻辑链路来提供服务。ZigBee技术的体系结构主要由物理(PHY)层、媒体接人控制(MAC)层、网络安全层以及应用框架层组成。2.
