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1、基于无线模块的环境检测系统的设计【摘要】随着我国经济的迅速发展，环境保护也日益受到国家和广大群众的保护，全国各级环保机构也在环境保护方面加大力度。近年来国民经济飞速发展，工业企业不断增多，由此带来的问题就是环境污染源的增加和分布的复杂。与此同时，以城市为中心的环境污染通过乡镇企业扩散到农村，严重影响我国的可持续发展进程。 随着射频技术、集成电路技术的发展, 无线通信功能的实现越来越容易, 数据传输速率也越来越快, 并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是计算机、通信和传感器3项技术相结合的产物，近年来得到了飞速发展，已成
2、为计算机科学领域一个活跃的研究分支。而Zigbee是部署无线传感器网络的新技术，是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee过去又称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层(MAC层)协议对网络层协议和API进行标准化而制定的无线局域网组网、安全和应用软件方面的技术标准。【关键字】无线传感器网络 ；ZigBee ；IEEE 802.15.4 ；无线电技术目 录 摘要及关键字2 目录3一、 绪论4 （
3、一）课题的简介及其意义4 （二）环境检测的历史、现状和发展4 （三）国内现有环境检测面临的问题4二、关于zigbee的简单介绍5 （一）最大的1 2个zigbee应用5 （二）应用结构5 （三）zigbee 的概述5三、基于zigbee 的无线定位系统研究6 （一）定位系统节点类型6 （二）定位基本原理介绍8四、基于zigbee技术的环境检测系统的开发9 （一）引言9 （二）zigbee协议框架及其网络拓扑结构9 （三）无线传感器节点硬件设计10 （四）节点的软件设计10 （五）zigbee网关设计11 （六）监控终端软件设计11五、总结与展望11参考文献12致谢13湖南广播电视大学毕业作业写
4、作过程记录表14湖南广播电视大学毕业作业评审表15基于无线模块的环境检测系统的设计一、绪论（一） 课题的简介及其意义环境，是人类赖以生存和活动的场所，也是向人类提供生产和生活所必须的自然资源的供应基地。环境问题可分为两大类：一类是由于自然环境因素的破坏和污染所引起的。如：火山活动，地震，风暴，海啸等产生的自然灾害，因环境中元素自然分布不均引起的地方病，以及自然界中放射物质产生的放射病等。另一类是人为因素造成的环境污染和自然资源与生态环境的破坏。本课题目的是构架一个能使环保部门监控、管理环境的监测系统。通过对环境的全天候，全方位的控制，借助于完整可靠的通讯协议，利用实时的传输系统，准确及时地反映
5、监控对象的变化状态，为环境管理者提供管理决策的依据，提高环境监管的效率，提升环保监测的现代化水平。传统的检测方法需要环保部门将大量的精力投入到环境现场的数据采集工作之中。但是随着污染源的增加，这种原有的检测方式，已经无法起到实时监控污染的目的。利用现代化最先进的电子技术，通讯技术，软件技术，建立一套环境自动监控系统，实现监控系统的自动化，从更高的层次上对环境污染进行有效的管理，体现了环保作为一个新兴行业的发展方向；有利于监控污染企业，增加企业的自律。促进他们履行自己的环境业务，帮助企业提高治理设施的水平；可以大大降低环境污染，提高企业经济效益的同时，也提高了环保投资的社会效益。因此，做好各项环
6、境保护工作，特别是做好环境管理工作，必须充分重视、依靠和发挥环境检测的作用，需要不断加强环境检测技术的开发研究和更新。（二） 环境检测的历史、现状和发展20世纪60年代以来，环境问题逐渐从地区性问题演变为全球性问题。在解决环境问题的长期探索中，国际社会已经逐渐认识到，单纯依靠污染源控制技术已经解决不了日趋复杂和广泛的环境问题，只有按照生态可持续性和经济可持续性要求，改革传统意义上单纯追求经济增长的战略和政策，对传统的经济增长模式，包括生态和消费模式做出重大的改革，加强对人口的控制，改变现有的技术和生产结构，减少自然资源的消耗，人类才有可能实现自身的可持续发展。作为环境保护的重要组成部分。环境检
7、测曾被形象的地比喻为环境保护的耳目、哨兵和尺子，是获取环境信息、认识环境变化、评价环境质量、监督排污状况的重要途径，是监督执行环境法规、环境标准的重要技术手段。70年代，是我国环境检测的起步阶段，颁布了一系列的法规文献，标志着我国环保事业开始起步。在大众的观念中，政府过去所提出的“三废”处理和综合利用的思想开始逐步地被“环境保护”的概念所代替。开展对重点区域的的污染调查和检测。各级政府部门也通过制定一系列的环境保护规划，开始实行污染源限期治理等管理制度。80年代，我国的环境检测进入了调整和巩固发展的阶段，制定我国环保事业的战略方针，标志我国 环保工作进入发展阶段。90年代之后，充实提高深化阶段
8、，可持续发展成为社会和经济发展的基本思想，我国已初步形成了具有中国特色社会主义的环境检测技术规范、环境检测分析方法、环境质量标准体系和环境质量报告制度，并逐步迈向标准化的轨道。环境检测实现了监测信息公开，环境管理政务公开，检测系统紧扣环境管理和社会公众的需要，在提高公众环保意识的同时也极大提升了环境检测的地位和形象。（三） 国内现有环境检测面临的问题1.环境检测仪器的落后。2.传统的环境检测系统采用的数据传输通信方式包括有线modem或者光纤灯方式。3.传统的环境检测系统在结构上，通常采用的都是封闭式的自动化检测体系，监测站点监测中心通过某种特定的专用网络进行信息和数据交换。4.环保职能部门所
9、采用标准和规范不统一。二、关于zigbee的简单介绍(一) 最大的12个zigbee应用1.监控照明、HVAC和写字楼安全。2.配合传感器和激励器对制造、过程控制、农田耕作、环境及其它区域进行工业监控。3.带负载管理功能的自动抄表(AMR)，这可使得地产管理公司削减成本和节省电气能源。4.对油气生产、运输和勘测进行管理、控制、数据采集及其它遥感勘测。5.家庭控制照明、HVAC、安全和其它系统。6.对病患、设备及设施进行医疗和健康监控。7.军事应用，包括战场监控和机器人控制。8.汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。9.消费电子应用，对玩具、游戏机、电视、立体音响、DVD播放机和其它家
10、电设备进行遥控。10.应用于计算机外设，如鼠标、键盘、游戏控制器及打印机。11.有源RFID应用，例如电池供电标签，它可用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理。12.基于互联网的设备之间的机器对机器通信（M2M）（二） 应用结构APSDESAP中的应用结构是ZigBee设备上的应用对象中的环境。在应用结构内，这个应用设备发送和接收数据直接通过APSDESAP。这个应用对象在完成以下任务后直接接到ZDO公共部分。1. 控制和管理在ZigBee设备中的协议层。2. 创建标准网络功能。这个数据服务倘若通过APSDESAP，包括请求、确认、回答和指出原始的传递数据。在同等应用实体之间请求支持原
11、始数据传送。请求原语呼叫的结果确定原始报告。指出原始的用于指出数据来自于应用对象目的地文件APS.（三） zigbee的概述ZigBee栈体系包含一系列的层原件，包含IEEE802.15.4 2003标准MAC层和PHY层，当然也包括ZigBee的NWK层。每个层的原件提供相关的服务功能。图1为ZigBee栈结构框架图。 图1 zigbee栈结构框架图三、 基于zigbee的无线定位系统研究（一） 定位系统节点类型无线定位主要由ZigBee网关（location）、参考节点(reference nodes)以及盲节点（blind nodes）组成。ZigBee网关：无线定位系统的网络协调器，通
12、过RS232串口延长线与PC相连。它在整个系统中起着至关重要的作用，首先它要接收由监控系统提供的各种参考节点和移动节点的配置数据，并发送给相应的节点；其次还要接收各节点反馈的有效数据并传送给监控 系统。网关工作 流程如图2所示。是是开始收到PC机数据？收到各个节点数据？通过串口发送发送至节点计算出校验值从串口发出结束否校验正确图2 网关工作流程图参考节点：无线定位系统中已知坐标的节点是ZigBee网络中的路由器，为使参考节点能提供RSSI值以及一个准确的包含自己位置（X,Y）的坐标的信息包给移动点，所以参加节点必须精确地配置在需要定位的区域中。参考节点工作流程如图3所示。开始收到数据RSSI请
13、求？收到RSSI？参考节点请求配置？多考节点配置？结束多次手机RSSI发送RSSI平均值将配置收到数据RSSI请求？多考节点配置？参考节点请求配置？收到RSSI？发送RSSI平均值将配置信息写入Flash取出配置值发送给协调器多次手机RSSI信息写入Flash取出配置值发送给协调器否是否否否否是是是是图3 参考节点工作流程图盲节点：无线定位系统中移动节点，它通过已知参考节点的坐标来计算自身坐标值的节点，是ZigBee网络中的路由器，移动节点能够与离自己最近的参考节点通信，收集这些节点的（X,Y）坐标和RSSI值，根据这些信息和输入参数（A,N）一起计算自己坐标信息。将适当的信息发送给网关，通过RS232传给计算机定位监控系统。盲节点定位流程图如图4所示。开始收到数据RSSI请求？盲节点请求配置？盲节点发现请求？收集RSSI应答？盲节点配置？
