1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 基于无线传感器网络的温度采集与管理系统设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 因特网改变了人与人的交 流 方式，传感器网络将改变未来人与自然的交 流 方式。无线传感器网络综合了传感器技术、 分布式信息处理技术、现代网络及无线通信技术、嵌入式计算技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作，实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息 ， 是当今国内外备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究领域。无线传感器网络与传统有线方式 相 比具有可靠性高、安装容易、重复使用性和系统维护性 的优点 .本论文
2、针对环境温度 运用 传感器节点并组成了无线网络，可以对环境温度进行监控，具有重要的应用价值， 设计并初步实现了一个基于 nRF905和 STC89C52的无线传感网络系统。阐述了智能无线传感器网络技术的温度采集与管理系统的总 体设计思路，系统的主要硬件功能部件构成部分。研究了无线传感网络传感器节点的关键技术，以及运用 nRF905射频芯片设计的由采集节点、路由节点、控制节点和中央监控计算机组成的智能温度采集硬件系统，实现温室参数的自动采集和监测。另外采用 MCGS设计了操作简单的上位机显示界面。 关键词： WSN,温度采集，节点 II Design and Implementation of
3、A Temperature Collection and Management System Based on Wireless Sensor Network Abstract The interaction mode among people has been greatly changed by the Intemet,whereas， the interaction mode between people and the nature will be greatly influenced by the wireless sensor network The wireless sensor
4、 network has attracted great attention of the world,and is an emerging researching area with multi-discipline interleave It intergrate sensor technology,embedded computation technology,network and wireless communication technology,distributed information processing In real time， It detects， appercdv
5、es and collects the information of various enviroments or objects with the collaboration of kinds of lC sensors The widess sensornetwork is easy to deploy and maintain with higla reliability,reuseable,etc.Laying, designing and realizing wireless local area network node module system based on nRF905
6、and STC89C52. The thesis mainly illustrates the general design idea of temperature acquisition and management system based on the intelligent wireless sensor network, and major hardware feature components.Study of sensor nodes of wireless sensor network key technology ,a sample-node by the embedded
7、computer and router-node and control-node and the central control irrigation network monitoring system is designed,finally to automatic gathering parameter of irrigation.And the upper program is designed by MCGS, which the data results are displayed friendly, and operated easily. Keyword: WSN, Tempe
8、rature acquisition, Node III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 9 1.1 课题的 背景 . 9 1.2 课题的意义 . 9 1.3 研究现状与发展趋势 . 10 1.3.1 无线网络传感器 . 10 1.3.2 无线传感器网络的基本原理 . 31 1.3.3 无线传感器网络的研究现状 . 13 1.3.4 无线传感器网络的发展趋势 . 13 1.4 课题研究的主要内容 . 13 2 系统总体设计 . 14 2.1 功能要求 . 14 2.2 总体设计 . 15 2.2.1 模块的总体构架 . 15 2.3设备的总体设计 . 15 3
9、系统硬件设计 . 16 3.1 传感器的选择 . 16 3.1.1 温度传感器的概述 .16 3.1.2 温度传感器的种类 .16 3.2 数据采集模块设计 . 18 3.3 微处理器模块 . 19 3.3.1 MSP430 系列单片机的特点 . 19 3.4 无线射频收发模块 . 20 3.4.1无线收发器 1nRF90520.20 4 系统软件设计 . 21 4.1 系统网络拓扑结构的设计 . 21 4.2 数据采集程序设计 . 23 4.3 无线收发程序 设计 .27 4.4 上位机软件设计 .28 结论 . 31 参考文献 . 33 致谢 . 34 毕业设计题目 1 1 绪论 1.1
10、课题的背景 人类进入 2l世纪以来，微电子机械系统 (micro electro-mechanism system， MEMS)、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的飞速发展孕育了一种新型 的测控网络 无线传感器网络 (wireless sensor network， WSN)。 无线传感器网络是继因特网之后，将对 21世纪人类生活方式产生重大影响的 IT 热点技术。它将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变人与自然交 互的方式。为此， 1999年，美国商业周刊将无线传感器网络列为 21世纪最具有影 响的 2l项技术之一； 2003年， MIT技术评论 (Technology Re
11、view)在 预测未来技术 发展的报告中，将其列为改变世界的 10大新技术之一； 2003年，美国商业周刊又 在其“未来技术专版”中发表文章指出，传感器网络是全球未来的四大高技术产 业之一，将掀起产业浪潮 1。 1.2 课题的意义 传统温室环境监测系统布局大多为有线通信方式 ,如现场总线、集散控制总线 等 ,布线繁琐 ,不利于系统布局变动和维护 2 。用无线传感器网络 搭 建监控系统 , 具有成本低廉 、 部署方便等优势 ,可以有效实现环境信息的采集和传输 ,及时调整 管理策略 ,保证环境条件处于最佳状态 ,为温室环境参数检测提供一种 新颖的 、 低成本的解决方案 3。在控制器方面 ,基于工业
12、控制机的温室监控系统成本较高 , 不易推广 ;基于单片机的温室监控系统虽然成本低 ,但是功能有限。嵌入式系统的 迅速发展 ,为温度监控系统的开发提供了新思路。 本系统结合嵌入式技术与无线传感器网络技术 ,实现环境温度的实时数据取 。 并对这些数据进行实时显示、存储、分析和处理 ,实现对温室内的各种环境参数 的控制 ,达到现代化管理、精准化作业和获取更高效益的目的。 同时，温度与生 产和生活密切相关，在工农业生产中，如温室、大棚等很多地方都会对温度进行 实时监测 ,以保证生产在恒 定某温度范围内进行安全生产。对这些生产基地的管 理 ,如果采用人工定时测量，不但要耗费大量的人力，而且不能够做到实时
13、监控 ; 如果采用有线测控系统 ,则需要铺设光纤或者电缆 ,这样不但增加了成本 ,而且降 低了系统的灵活性和可扩展性。针对当前环境监测中面临的网络布线困难、成本 高及实时性差等问题 ,提出了基于 ZigBee技术的远程无线温湿测控 ,该系统主要 由低功耗微小无线传感网络节点通过自组织方式构成 ,可利用网络节点功耗低、 毕业设计题目 2 工作时间长、成本低的特点 ,实现危险区域的低成本无人连续在线监测。 该研究 针对现代工农业信息化需 求，在开发的 基于无线通信 技术上，实现了基于 MCGSE 组态软件的触摸屏人机界面，结合了两者的优点。 1.3 研究现状与发展趋势 1.3.1 无线传感器网络
14、无线传感器网络 WSN（ Wireless Sensor Network）技术起源于上世纪 70 年代，最早应用于军事领域，早期比较著名的有声音监测系统（ SOSUS， Sound Surveillance System）和空中预警与控制系统（ AWACS, Air-borne Warning and Control System）。起初的无线传感器网络只能 采集单一信号，而且节点之间只 能进行简单的点对点通信。到了 20 世纪 80 年代，美国国防部高级研究计划局 的分布式传感器网络项目 DNS（ Distributed Sensor Networks）开启了现代传 感器网络研究的先河。该项
15、目意在建立一个由低功耗、具有传感能力的节点构 成可以覆盖一定区域的网络，节点之间自主运行，但可相互协作，最终将传感 数据传送至其目的节点 5。经过卡耐基梅隆，匹兹堡等高校研究人员的不懈努力，该项目在操作系统、信号处理、目标跟踪、节点实验平台等诸多方面都取 得了一定的进展，为无线传感器 网络的发展奠定了基础。 20 世纪 80-90 年代，无线传感器网络的研究依然专注于军事领域，并成为了网络中心战思想中的关键技术，尽管此时小型传感器技术还未发展成熟，但是美国军方却已经认识到了传感器网络在现代战场上的重要性，通过国防部和国家自然基金委员会等多种渠道投入巨资支持无线传感器网络技术的研究，并开发出多种
16、基于网络中心战思想的作战系统，其中比较著名的的有：美国海军开发的用于打击空中目标的协同作战能力系统，由声音传感器阵列组成的用于反潜艇的确定性分布式系统、高级配置系统，以及无人监管地面传感系统，如远程战场传 感器网络系统、战术远程传感系统等 4。 到了 21世纪，随着计算机技术与通信技术的快速发展，传感器网络的研究进入了崭新的阶段，基于微电子制造技术的小型、低成本传感器，无线网络以及低成本，低功耗的处理器的出现，使得大范围部署无线 Ad-hoe网络以实现各种应用成为可能。在美国国防部开展的名为传感器信息技术研究计划（ SensIT, Sensor Information Technology）中
17、，将研究目标确定为：大力发展新的网络技术，可以使传感器器件或节点能够在战场上迅速以 ad-hoe方式部署，以适应战场高度动态 的环境；提高网络节点的信息处理能力，例如，如何从部署的传感器网络中获取有用的、可靠的、实时的信息，这意味着需要在传感器网络中利用传感器节点构建分布式计算环境来进行信号和信息的处理，这将大大提高毕业设计题目 3 传感器网络的性能，以应用到更加复杂的环境中去。与此同时，比较著名的传感器网络项目还有：加州大学与罗克韦尔研究中心合作的 WINS，伯克利大学的Smart Dust，美国海军研究办公室资助的 Sea Web以及哈佛大学与 2004年开展的名为 Hourglass研究
18、项目等 5。世界上其他发达国家如日本、韩国、英国、意大利、巴西 等也对传感器网络表现出极大的兴趣，纷纷开展了该领域的研究工作。 在我国，无线传感器网络仍处于起步阶段，在一份有关我国未来 20 年预见技术的调查报告中，信息领域的 157 项技术课题中，有 7 项与传感器网络直接相关。 2006 年初发表的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了三个发展方向，其中有两个与 WSN 的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术，温家宝总理在听取了有关发展我国无线传感器网络产业的建议后，指示应在国家重大科技专项中，加快推进无线传感器网络的发展，并将无线传感器网络技术与其他技术相结合， 建立中
19、国自主的传感器网络信息平台，足见对无线传感器网络的重视程度。实现传感节点的功能。如果将这些功能强劲的处理器附加在微机电系统 MEMS （ Micro. Electro. Mechanical Systems）器件或者设备上，并挂载到数据库或者其他通信平台上，必将掀起一场传感器网络技术发展的新纪元。基于 IEEE802. 11 标准的无线网络现在可以提供一种用来连接有线网络的方法。与此同时， IEEE 组织也注意到了传感器网络的低成本与高性能，并为个人域网（ PANs）制定了 IEEE 802.15.4 标准（ PANs 为 一种辐射半径为 5 到 10 米的局域网络）。在 PANs 中短距离的
20、传感器网络便是一种理想的技术。 IEEE 组织鼓励那种针对近距离、低成本的无线传感器网络的技术与算法的研发，并积极推动芯片与处理器在通信与计算方面低功耗技术的发展 6。目前传感、计算与通信功能可以集成在同一芯片上，如果能够进一步降低成本，便可以使节点的大范围部署成为可能。 展望未来，我们可以预测：随着 MEMS 技术的发展，将会给我们带来更多功能强大的传感器，位于加利福尼亚伯克利的 Dust 公司，是一家从上世纪 90 年代末期开始专注于智能尘埃项目的公司，该项目 诣在结合 MEMS 技术和集成电路技术，研制出体积不超过 1 立方毫米、能够使用太阳能电池供电，具有光通信能力的自治传感器节点。由
21、于体积小、重量轻，该节点可以附着在其他物体上，甚至可以在空中浮动。综上所述，一个具有低成本、可随意安置的微传感器无线网络，将会是无线传感器网络在未来几年到几十年中发展的总体趋势。 1.3.2 无线传感器网络基本原理 无线传感器网络（ Wireless Sensor Network， WSN）综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协 同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并毕业设计题目 4 对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。 无线传感器网络包括分布式传感器节点、接收和发送
22、器、互联网以及用户接口界面等，其中传感器节点是基本和核心单元，它由传感单元、处理单元、通信单元和电源等组成 6。无线传感器网络一般采用分层体系结构。分层协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，其中物理层可以采用先进的无线射频传输技术，如正交频分复用（ OFDM）、超宽带（ UWB）、多输入多输出（ MIMO），甚至码分多址（ CDMA）技术等，也可以采用传统的红外线传输技术；数据链路层主要任务是保证物理层传输的数据尽量正确，同时提高系统频谱效率；网络层的功能包括分组路由、拥塞控制等；传输层主要用于提供可靠的额外开销合理的数据传输服务；应用层提供各种具体的增值业务应用，同时也提供时
23、间同步和节点定位功能。无线传感器网络网络结构如图 1 所示，传感器网络系统通常包括传感器节点 （ sensor node），汇聚节点（ sink node），和管理节点。大量传感器节点随机 的部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织 方式构成网络。传感其节点检 测的数据沿着其它节点逐跳的进行传输，其传输过程可能经过多个节点处理， 经过多跳后到达汇集节点，最后通过互联网和卫星达到管理节点，用户通过管 理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测数据。 尽管该技术目前仍处于初步应用阶段，但在未来 5年内微尘的价格将会逐步 毕业设计题目 5 下降，并将得到广泛应用。 Crossbow
24、Technologies是首家提供商用微尘的公司。 他们的最新一代设备具备微处理器、内存、存储以及一个内部模数变转换器，均 集成于一个只有原设备四分之一大小的设备中。这 些微尘可用于探测加速度、磁 力、光、温度、以及其他因素， 目前成本大约为每个 50美元。随着对微尘需求 的不断增加，以及处理器成本的降低，这一价格将会大幅降低。 显然，这些微 型计算机将可以应用于我们可以想象到的所有领域。可以预见的是，它们可能在 未来几年内遍及整个亚洲。 1.3.3 无线传感器网络的研究现状 无线传感器网络作为 21世纪信息领域新的研究热点 ,但其并没有大范围的应用起来主要是它存在以下几个难点和关键技术需要研
25、究和解决 : 1. 网络通信协议。由于传感器节点能源能量的限制 ,其计算、存储和通信 能力都十分有限 ,每个节点只能获取到局部网络的信息 ,因而节点上所运行的网络通信协议不能太复杂 ;同时 ,无线传感器网络拓扑结构和外界环境的不断变化 ,也对网络通信协议的设计提出了更高的要求。 2. 核心支撑技术。无线传感器网络里的核心支撑技术使用网络通信协议提供的服务 ,并通过应用服务接口来屏蔽底层网络的细节 ,使中孤单用户可以方便地对无线传感器网络网络进行操作。无线传感器网络依靠这些丰富的核心支撑技术构成了一个具体的面向特定应用的网络系统。 3. 自组织管理。多变的网络状况及外在环境要求无线传感器网络具有
26、自组织能力 ,能够自动组网运行、自行配置维护、适时转发监测数据。自组织管理技术使用网络通信协议提供的服务 ,通过网络管理接口来屏蔽底层网络的细节 ,使终端用户可以方便地管理配置无线传感器网络。 4. 开发与应用。作为一种源于应用而又服务于应用的现实可行的网络技术 ,无线传感器网络还要有一套完整的软硬件设计原则、高效的开发平台以及一系列别具特色的应用实例 7。 1.3.4 无线传感器网络的发展趋势 基于以上的关键技术和难点问题 ,以及无线传感器网络的研究与应用现状 ,无线传感器网络技术的主要发展趋势有 : 1. 灵活、自适应的网 络协议体系。无线传感器网络广泛地应用于军事、环境、医疗、家庭和工业
27、等领域。其网络协议、算法的设计和实现与具体的应用场景有着密切的联系、这些面向不同应用背景的无线传感器网络所使用的路由机制、数据传输模式、实时性要求以及组网机制等都有着很大的差异 ,因此设计出通用毕业设计题目 6 化比较强的无线传感器网络来弱化这些差异是未来无线传感器网络发展的一个重要方向。 2. 跨层设计。无线传感器网络有着分层的体系结构 ,因此在设计时也大都有分层进行的。各层的设计相互独立且具有一定的局限性 ,因而各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优。为了解 决这个问题 ,一些人就提出了跨层设计的概念。跨层设计的目标就是实现逻辑上并不相邻的协议层之间的设计互动与性能平衡。 3. Zig
28、Bee标准规范。 ZigBee是一种新兴无线网络通信规范 ,主要用于近距离无线连接。 ZigBee能够非常好地支持无线传感器网络 :他能够在众多微小的传感器节点之间相互协调实现通信 ,这些节点只需要很低的功耗 ,以多跳接力的方式在节点间传送数据 ,因而通信效率非常高。目前 , ZigBee联盟正在进行协议标准的整合工作 ,该标准的成功制定对于无线传感器网络的推广使用将有着深远、重要的意义。 4. 与其 他网络的融合。无线传感器网络与现有网络的融合将带来新的应用。传感器网络专注于探测和收集环境信息 ;复杂的数据处理和存储等服务则交给基于无线传感器网络的网格体系来完成 ,将能够为大型的军事应用、科研、工业生产和商业交易等应用领域提供一个集数据感知、密集处理和海量存储于一体的强大的操作平台 8。 1.4 课题研究的主要内容 本课题旨在开发基于无线传感器网络的温度采集与管理系统，包括传感器节 点与中心节点，设计相应的通信程序，并用组态软件对采集的信息进行管理。 最终实现传感器节点自动检测环境温度信息，并自动将信息 传送给中心节点， 中心节点与计算机连接，由计算机显示温湿度信息。
