基于ZIGBEE的无线环境监测网络设计

论文摘要

环境监测是以环境为对象,运用物理的、化学的和生物的技术手段,对其中的污染物及其有关的组成成分进行定性、定量和系统的综合分析,以探索研究环境质量的变化规律。本课题主要目标是基于ZIGBEE技术构建环境监测的无线传感网络。第一章首先对现有环境监测方法的优缺点作了简要分析,回顾了无线传感网络的发展历史及其发展动态、结构和特点,简单介绍了ZIGBEE技术的特点及应用。与其它无线协议比较,ZIGBEE组网成本更低,因此本课题选用ZIGBEE进行环境监测。第二章设计了无线传感网络平台的总体架构。先从环境监测系统的需求入手,进行了方案的选取、分析和确定,最终确立采用MSP430微处理模块、SZ05模块、SHT11和Hp03传感芯片组建无线网络。最后设计了网络中用来数据传送和控制的帧格式。第三章主要是搭建无线传感网络的硬件平台,包括汇聚节点和传感节点的硬件设计。首先对汇聚节点和传感节点的总体硬件结构进行了设计。然后对节点中的主要模块进行了分析和设计,包括微处理模块的设计,SHT11温湿度传感器设计,HP03压力传感器设计,SZ05组网模块的设计和扩展接口设计等。此硬件平台设计时考虑了系统扩展,因此能方便的进行升级,无须改动硬件结构。第四章主要是对无线环境监测网络进行软件设计。主要包括前端信息监测网络的软件设计和上位机软件的设计。前端信息监测网络的软件设计主要是汇聚节点和传感节点的设计,分别对节点的主要模块进行了分析和设计。上位机软件主要包括开发平台的选择和数据库的选择、系统体系结构设计和主要模块的设计。第五章主要是对组建的网络进行测试和分析。跟最初的设计要求相比,通过测试,可以得出系统符合要求,能够方便的对多个环境参数进行测量并稳定传输。本文构建的ZIGBEE无线环境监测网络在监测点数量、位置随时变化,在需大量布线、大量基础设施的区域或人为监测十分不便的情形下,能够自动的实现多节点、多参数的数据采集,为环境监测提供了一种新的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 无线传感网络
• 1.2.1 无线传感器网络的发展与研究态势
• 1.2.2 无线传感网络结构
• 1.3 ZIGBEE技术
• 1.4 本课题研究目标、内容和意义
• 1.5 本章小结
• 2 无线环境监测网络总体架构设计
• 2.1 环境监测要求
• 2.1.1 大气温湿度和压力测量要求
• 2.1.2 系统性能要求
• 2.1.3 系统的可扩展性要求
• 2.1.4 其它要求
• 2.2 设计方案
• 2.2.1 总体设计
• 2.2.2 方案选取
• 2.2.3 方案分析
• 2.2.4 方案确定
• 2.3 网络数据帧格式设计
• 2.4 小结
• 3 无线传感网络节点的硬件设计
• 3.1 传感节点系统结构设计
• 3.2 汇聚节点系统结构设计
• 3.3 微处理器模块设计
• 3.3.1 MSP430超低功耗微控制器特性
• 3.3.2 JTAG接口电路设计
• 3.4 无线数传模块设计
• 3.4.1 SZ05无线嵌入式模块简介
• 3.4.2 SZ05技术指标
• 3.4.3 接口规范
• 3.5 采集模块设计
• 3.5.1 温湿度传感器SHT11
• 3.5.2 压力传感器
• 3.6 预留传感器接口和应用扩展接口
• 3.7 本章小结
• 4 无线传感网络软件设计
• 4.1 汇聚节点软件设计
• 4.1.1 主程序设计
• 4.1.2 接收一帧数据设计
• 4.1.3 帧解析处理函数设计
• 4.1.4 SZ05模块Mcu配置方式
• 4.2 传感节点软件设计
• 4.2.1 主程序设计
• 4.2.2 定时器0中断程序设计
• 4.2.3 无线接收程序设计
• 4.2.4 SHT11程序设计
• 4.2.5 HP03D压力采集程序设计
• 4.3 PC端无线监测网络软件设计
• 4.3.1 功能需求
• 4.3.2 总体设计
• 4.3.3 系统开发工具的选择
• 4.3.4 数据库设计
• 4.3.5 模块设计
• 4.4 本章小结
• 5 系统测试及分析
• 5.1 系统测试
• 5.2 系统性能总结
• 5.2.1 温湿度和压力测量特性
• 5.2.2 节点的功耗
• 5.2.3 系统的可扩展性
• 5.2.4 网络通讯特性
• 5.3 本章小结
• 6 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢