ZigBee无线传感器网络及其在重大危险源监控系统中的应用研究

论文摘要

无线传感器网络系统综合了传感器技术,嵌入式技术,计算机技术,分布式信息处理技术和通信技术,能够协作的实时地监测,感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽准确的信息,传送到需要这些信息的用户,是当今前沿性的热点研究方向之一。IEEE 802.15.4/ZigBee协议是由IEEE 802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee联盟开发的网络和应用支持层所组成的,其特点是稳定并能自我修复、支援大量网络节点、传输可靠、超长电池寿命、安全、便宜、全球通用等。近几年来,在石化和煤炭行业频繁发生爆炸和火灾事故,给人们带来了众多悲恸和遗憾。由事故数据分析得到易燃易爆,有毒有害气体导致事故率颇高,需要对这些气体和危险源加强监控。目前,大部分煤炭或化工行业对危险源的监控采用有线系统,维护困难,布线不便,二次开发成本高。针对重大危险源监控的这种现状,分析了危险源监控系统需求,提出了一种提出了一种基于ZigBee技术的危险源监控系统方案。以无线数据采集和传输代替传统有线数据采集和传输,改善并提高传统有线监控的局限性,为后续子系统提供方便可靠的数据传输链路。讨论并给出了适合无线监控系统的拓扑结构,采集网络,传感器选择及上位机需求。论文全面深入地对ZigBee协议做了研究分析,包括协议栈框架结构,协议栈网络结构,协议栈API函数等。重点对ZigBee网络的组网过程和路由做了深入研究,并总结使用协议栈的方法。对危险源监控系统,给出了该系统的软硬件构成及详细电路,包括网关,路由及终端。讨论了网络的建立与保持、设备入网,以及ZigBee路由,功耗等。开发了上位机的管理系统,完成了数据采集与整合处理,实时数据波形显示,采集网络拓扑查询,火灾识别等功能。文章最后,测试了节点通信,演示了组网过程,验证了路由及地址分配机制。结合上位机运行,实现远程监控和数据采集及处理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的背景
• 1.3 危险源监控国内外的发展情况
• 1.4 无线传感器网络的发展
• 1.5 将ZigBee技术应用于危险源监控系统中的意义
• 1.6 论文的主要内容
• 第二章 ZigBee技术研究
• 2.1 概述
• 2.2 ZigBee协议栈分析
• 2.2.1 协议栈框架结构
• 2.2.2 协议栈实现过程
• 2.3 ZigBee网络设备类型
• 2.3.1 全功能设备（FFD）
• 2.3.2 精简功能设备（RFD）
• 2.4 网络中的三种角色
• 2.4.1 协调器（Coordinator）
• 2.4.2 路由器（Router）
• 2.4.3 终端设备（End-Device）
• 2.4.4 ZigBee网络拓扑
• 2.4.5 设备类型与网络拓扑之间的关系
• 2.5 网络地址分配与寻址
• 2.6 无线传感器路由研究
• 2.7 Zigbee组网与入网过程
• 2.8 本章小结
• 第三章 危险源监控系统方案设计
• 3.1 引言
• 3.2 需求分析
• 3.3 设计原则
• 3.4 框架设计
• 3.5 系统组成
• 3.6 采集网络
• 3.7 传感器的选择
• 3.8 核心处理器和协议的选择
• 3.8.1 CC2430芯片的主要特点
• 3.8.2 ZigBee协议
• 3.9 上位机功能设计
• 3.10 本章小结
• 第四章 系统硬件设计
• 4.1 网关节点
• 4.1.1 硬件框图与硬件电路
• 4.1.2 CC2430介绍
• 4.1.3 硬件模块
• 4.2 路由节点和终端节点
• 4.2.1 路由节点和终端节点硬件电路
• 4.2.2 传感器模块
• 4.3 协调器节点
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统软件设计
• 5.1 系统总体软件结构
• 5.2 开发平台
• 5.3 网关节点软件设计
• 5.3.1 网关设备节点加入网络流程
• 5.3.2 网关与上位机通信
• 5.4 路由和终端节点软件设计
• 5.4.1 路由和终端设备节点加入网路流程
• 5.4.2 路由与路由,路由与网关,路由与节点之间的通信
• 5.5 网络参数设定
• 5.6 数据采集程序设计
• 5.6.1 节点温度采集
• 5.6.2 节点电压采集
• 5.6.3 传感器数据数字滤波设计
• 5.7 节点低功耗设计
• 5.8 任务添加
• 5.9 上位机软件设计
• 5.9.1 整体界面
• 5.9.2 功能简述
• 5.10 BP神经网络
• 5.11 本章小结
• 第六章 系统测试
• 6.1 系统测试
• 6.1.1 硬件运行测试
• 6.1.2 点对点大流量通讯测试
• 6.1.3 系统多点通讯丢包测试
• 6.1.4 上位机运行测试
• 6.1.5 系统组网测试
• 6.1.6 数据采集测试
• 6.1.7 节点失电测试
• 6.1.8 节点位置发生改变测试
• 6.2 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录