1、 本科毕业设计 (论文 ) ( 届 ) 论文题目 基于 WSN的无线温度采集系统设计 (英文 ) Temperature acquisition system based on WSN 所在学院 电子信息学院 专业班级 电子信息 工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 日 摘 要 如今 在温度测量中，使用的机械温度计 不能有效地检测到 温度波动，这就需要一种新的温度分析工具。基于 ZigBee 网络的无线温度采集系统就是 来解决这个问题的 。随着无线网络技术的飞速发展，一种新兴的短距离的无线通信技术ZigBee 无线通信技术是，具有体积小、低成本、低功耗、低速率、低时延等优点，
2、具有强大的 自动 组网能力 和 超大的网络容量，是无线传感器网络的 领先 技术。由 许多的 具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点通过自组织的方式构成的一个小范围的无线网络 就是 无线传感器网络，它是当今国际 十分热门的技术 。 硬件 设计 通过温度传感器采集温度数据，经过 PIC 单片机与 ZigBee 模块通过无线传输 数据 把采集到的 温度 信号送到监控中心，再通过串口送到 PC 机上显示，实现无线采集温度系统。论文先介绍了无线传感器网络的发展状况、特点、应用及它的体系结构和关键技术，接着介绍了 ZigBee 和 NS-2，然后介绍了系统的硬件设计及其软件设计 。 关键词： 无线传感器
3、网络，温度采集系统， Zigbee 技术， NS-2 与无线网络模拟 Abstract The use of mechanical thermometer in the temperature measurement can not be effectively detected temperature fluctuations, which requires a new temperature analysis tools.Temperature acquisition system based on ZigBee wireless network is to solve this prob
4、lem.With the rapid development of wireless network technology, an emerging short-range wireless communications technology ZigBee wireless communication technology, with a small size, low-cost, low power, low rate, low latency and other advantages, has a powerful automatic groupnetwork capacity and a
5、 large network capacity, is the leading technology for wireless sensor networks. A small range of wireless network is constituted by a number of micro sensor nodes with sensing, computing and communication capabilities through self-organization of wireless sensor networks, it is very popular in toda
6、ys international technology. Hardware design temperature data collected by the temperature sensor, after the PIC MCU and ZigBee module via the wireless transmission of data collected from the temperature signal to the monitoring center, and then sent through the serial port on a PC, and wireless acq
7、uisition temperature system.The paper first describes the development of wireless sensor networks, features, applications, and its architecture and key technologies, and then introduced the ZigBee and NS-2, and then describes the system hardware design and software design. Keywords: wireless sensor
8、networks, temperature acquisition system, Zigbee technology, the NS-2 and wireless network simulation 目 录 1.无线传感器网络 .1 1.1 引言 .1 1.2 无线传感器 网络的概述 .1 1.2.1 无线传感器网络的发展状况 .1 1.2.2 无线传感器网络的特点 .2 1.3 无线传感器网络的体系结构 .3 1.3.1 无线传感器网络结构 .3 1.3.2 无线传感器节点结构 .3 2. ZIGBEE 协议 .5 2.1 ZIGBEE 简介 .5 2.1.1 ZIGBEE 的特点 .5
9、 2.1.2 ZIGBEE 的网络结构 .6 3.硬 件设计 .7 3.1 ZIGBEE 网络硬件解决方案 .7 3.2 PIC 单片机最小系统 (含 TC77)和射频芯片 .8 3.2.1 PIC 单片机简介 .8 3.2.2 PIC 单片机与 51 单片机的差别 .8 3.2.3 PIC18 系列单片机 .8 3.2.4 TC77 温度传感器的简介 .9 3.2.5 MRF24J40 射频芯片 .10 4.软件设计 .11 4.1 无线网络的模拟环境简介 .11 4.1.1 软件开发平台 .11 4.1.2 NS2 的 TRACE 文件分析 .12 4.2 ZIGBEE 协议工作原理及部分
10、代码分析 .14 4.2.1 协议栈规范 .14 4.2.2 拓扑结构 .14 4.2.3 网络节点属性的配置 .15 4.2.4 寻址 .15 4.2.5 重要设备地址 (IMPORTANT DEVICE ADDRESSES) .16 4.3 Z-STACK 协议栈总体设计 .17 4.3.1 任务初始化 .17 4.3.2 任务调度 .18 4.4 基于 ZIGBEE 的温度采集和无线传输软件设计 .20 4.4.1 软件开发平台 .20 4.4.2 系统流程图和代码 .21 5.制作与调试 .24 5.1 电路板的制作 .24 5.2 软件调试 .24 6.结论 .28 致 谢 .29
11、参考文献 .30 附录 1 系统实物图 .32 附录 2 实验原理图 .33 附录 3 毕业设计作品说明书 .34 1 无线传感器网络 1.1 引言 随着当今世界信息技术的 快 速发展，人类对获取信息要求的提高，传感器获取技术从单一化到集成化、微型化 、 智能化、网络化，形成智能传感器网络。 在网络中加入的传感器节点，在一个自组的小型网络当中，有许多的这些节点不断的感知外界的一切，并收集和储存起来 。 在需要的时候可以通过无线的方式将数据传输到中心区，再有中心对终端相应的控制 ，其中传感器节点是基本和核心单元， 功能是实时的获取需要的信息 ， 并在命令后回馈需要的数据 。 IEEE802.15
12、.4/ZigBee 技术是一种近几年才推出的无线通信技术，具有低成本、低功耗、近距离、低复杂度和高可靠性等特点，是构建无线传感器网络的首选技术平台 1。 本设计是一个采用 ZigBee网络技术结合与 ZigBee兼容的 PIC单片机及温度传感器来实现温度采集系统的设计。 1.2 无线传感器网络的概述 如今国际上很是关注 无线传感器网络（ WSN）的发展，它涉及到的技术广外，知识高度集中。 比如他将各种技术如无线传感技术，智能控制技术都结合在一起，能从各种各样的微小型的传感器的检测 中获取数据进行分析，传感器间还可以互相传输数据， 从而实现物理世界，计算世界及人类社会三元世界的连通 2。 1.2
13、.1 无线传感器网络的发展状况 1998 年，美国在 DARPA 第一次提出了无线自组织传感器网络的概念。 2001年 6 月 DARPA 大规模研究无线传感器网络。 当时这技术是为了帮助在战争中获取信息的 。 但研究到后来 ， 人们发现它可以解决其他更多且更有意义的事，它让这个世界变小了，变得更加熟悉了，因为我们可以无时不刻的知道这个世界每一个角落的情况 。 就是这样 ，从 21 世纪开始， 传感器的先进技术使很多国家和各行各 业的领域开始关注 ，美国与欧洲 开始计划大量研究这项技术 ，特别是美国 在美国当地政府和民间组织资金支持下深入研究传感器技术 。 美国交通部 1995 年提出了“国家
14、智能交通系统项目计划”， 将智能控制检测技术，无线数据传输技术，数据自动处理和反馈等多功能结合 ， 形成一个实时监测和维护的 交通运输管理的系统。 英特尔公司在 2002 年发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，将传感器技术应用在医疗系统的检测，灾害的预防系统监测，生活中的温度，湿度数据获取监测 。 作为一种新 的且十分重要的科技技术 ，关系到国家经济和社会安全， 得 到各国的密切关注 ，美国 的各地组织都支持研发这项技术，并投资了大量的资金 ，英特尔公司，微软公司等信息工业界巨头 也要入这个研究中 ， 美国所有的著名院校都有研究小组在从事与传感器网络相关技术的研究，加拿大、德国、芬
15、兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了与传感器网络相关的研究 3。 我国无线传感器网络的应用与研究起始于 20 世纪 90 年代末期，如中科院、清华大学、国防科技大学、浙江大学 等 。 在“中国未来 20 年技术预见研究 ”报告中，有 7 项技术课题直接论述了传感网络， 2006 年发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信 息技术确立了 3个前沿方向，其中有两个与 WSN 研究直接有关。 目前，中科院 的研究非常的深入 。中科院 的一些研究部门设计了这项技术的方案 ， 并作为一项重中之重的工程 ，开展了 一系列的模拟方案 演示等研究，并取得了 有价值的成果 。 我国由于还是在起步阶段，所以
16、还有许多的空间可以发挥，做好这项重要工程对中国的经济发展和科技进步有重要的意义 。 1.2.2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络是无线网络和数据网络的结合，和以往的计算机网络、无线自组网络相比，它更多的是以通信为中心，其主要特点是 45： （ 1） 自组织网 络 在 WSN 网络应用中，传感器节点 要 具有自组织的能力，能够自动 对节点 进行配置和管理，在无线 传感器网络 的运行中 ， 一些传感器的节点由于工作了一段时间后能量消耗完了，那么，就有其它的节点检测到并及时的补充到空缺中 ，这样在 无线传感器网络 中的节点 数量 就基本不变了 ， 使 网络任然可以正常的工作 。 这种节点的 动态
17、变化 适用于 无线传感器网络 的自组织性。 （ 2） 大规模网络 为了获取信息 的准确性 ， 部署了大量的节点在要监测的区域内 ，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。 从 不同空间获得的信息具有更大 的可能 ； 为了 提高监测的精确度 ， 可以在一个区域大量的采集数据，并对数据取一个平均值。 1.3 无线传感器网 络的体系结构 分布式传感器节点、接收发送器、互联网和用户界面等 构成一个 典型的无线传感器网 络体系。 在网络中 ， 大量撒落节点 ， 将节点分布在需要检测的各个地区 。这些节点通过自组织方式构成无线网络， 检测，收集和处理再 网络覆盖区域中 指定 的信息，对任意地点的信息 实
18、时的 采集，处理和分析。 1.3.1 无线传感器网络结构 在传感器网络中， 人们撒了许多的节点 ， 将节点 大量 分布在检测的各个地方 ，这些节点 自动的形成 无线网络， 不断的在四周探索和检测，并及时的获取相应的数据 ，并通过 Sink 节点 将各个节点得到的信息无线 传送到远程控制中心，而另一方面，远程管理中心 可以不断的任意控制节点的工作方式和属性 。整个网络主要包括以下 几部分： 网络用户： 对网络系统有直接的命令，让系统执行用户的任务。 传输介质： 用户与虚拟的传感器系统的连接桥梁 。 Sink 节点： 拥有强大的能力，能将节点的信息准确，及时，有效的发送到指定的控制中心去 。 传感
19、网络： 这是最重要的组成，在传感网络里生存着许多的网络节点，这些节点不断的在检测周围的环境变量并及时的收集储存起来，待用户命令后发送到终端去分析和处理。 1.3.2 无线传感器节点结构 无线传感器节点 的主要组成是 传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块 这四个基本模块 ,传感器模块 主要是在指定的区 域检测需要的信息 ；处理器模块 就是传感器模块的控制端，就是将传感器收集到的信息及时的储存在本地的寄存器中，待有需要再将信息发送出去 ；无线通信模块 主要是使传感器节点之间有效地数据传输和连接或是终端的连接 ；能量控制模块为传感器节点 提供能量 ,好让它有正常的工作， 通常采用 电池
20、 。 2.Zigbee 协议 2.1 Zigbee 简介 上个世纪末 出现 ZigBee 技术。美国 Honeywell 等公司 在 2001 年成立 ZigBee联盟，他们 建立的 ZigBee 技术被确认为 IEEE802.15.4 标准。 2002 年 10 月，英国 Invensys 公司，美国摩托罗拉，荷兰飞利浦和日本三菱等重量级企业加盟ZigBee 联盟 6。 ZigBee 是一种短距离、低功耗、地数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。 ZigBee 一词源于蜜蜂，蜜蜂通过 Zigzag 舞蹈与同伴传达花与蜜的位置、方向、距离等信息 7， ZigBee 因此而得名 。 ZigB
21、ee 协议在 2003 年通过后，于 2004年正式问世。 ZigBee 无线可使用 3个频段，分别是 2.4GHz 的 ISM 频段、欧洲的 868MHz频段、以及美国的 915MHz 频段，而不同频段可使用的信道分别是 16、 1、 10 个，在中国采用 2.4G 频段，都是免申请和免使用费的频段 8。 2.1.1 Zigbee 的特点 ZigBee 技术具备一些非常适合于无线传感器网络的优点 ,其优点如下 9,10： 1、 数据传输速率低 在 10KB/S 250KB/S 的范围 ， 在 低速率传输 中有重要的应用 。 2、 功耗低：待机模式下，两节普通的 5 号电池可以使用 好几个 月 。 3、 成本低：简单 的 ZigBee 协议。 4、 网络容量大：容纳 60000 左右的 设备。 5、 时延短：时延 大约 35ms。 6、 网络的自组织、自愈能力强，通信可靠。 7、 数据安全： ZigBee 网络提供了 数据检测功能，有精 密的计算方法 。 8、 有效范围：有效覆盖范围 10 300 米之间，具体依据实际发射功率的大小和不同的应用模式而定 11。 9、 工作频段灵活：使用频段为 2.4GHz（全球）、 868MHz（欧洲）和 915MHz(美国 )，均为免费使用的频段。
