物联网下温湿度智能监控系统的应用研究

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3.0 高德中 2024-11-19 6 4 2.69MB 66 页 15积分

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摘要

物联网作为当代最重要的新兴产业之一，在工业监控领域的发展已崭露头角。

人们希望将工业领域中的设备和物品通过安装一系列感应器，将自身属性数据及

监控状态通过多跳自组织成的无线网络进行传输，并与传统的互联网进行连接，

实现人们通过现代意义上的物联网与世界各地的物体进行沟通联系。物联网涉及

多种无线通信技术，包括 Wi-Fi 技术、RFID 技术、蓝牙技术和 ZigBee 技术等。利

用一定的无线通信技术和现代网络技术，人们构建出一个由传感器网络及互联网

组成的庞大网络，从而连接了虚拟世界与现实世界，将这一技术应用于各行各业

之中，充分发挥高科技网络实力来创建人们的未来生活。

本文首先介绍了物联网的概念、研究背景及其意义，详细介绍了物联网的相

关技术及国内外发展水平，并阐述了选题的意义。其次，详细介绍了 ZigBee 协议

架构，给出了物理层、媒体访问控制层、网络层及应用层协议介绍，并详细描述

了ZigBee 技术的网络拓扑结构。第三，主要研究了物联网的末梢——终端设备，

即传感器节点。对其硬件及软件设计做了详细地介绍。最后，本文利用物联网技

术设计了一套应用于工业监控领域的温湿度监控系统，并重点开发了上位机软件

部分。该系统是由终端设备利用 ZigBee 无线通信技术进行多跳自组织成传感器网

络，通过传感器网络将数据信息传输到中心节点进行集中处理，然后通过串口形

式与上位机软件进行通信，同时进行数据分析处理，最后与其他网络相连并传输

数据信息，实现无所不在的网络。

关键词：物联网 ZigBee 传感器节点 WPF MVVM

ABSTRACT

The Internet of things is one of the most important emerging industries that in the

field of industrial monitoring developed rapidly. It is hoped that in the field of industrial

monitoring people have installed a series of sensors in the objects and devices. These

sensors transfer their property data and monitoring status via the Multi-hop

Self-organization wireless network, and then connect to the traditional Internet. It

enables people to use the Internet of things communicate with the objects around the

world. The Internet of things involves a wide range of wireless communication

technologies, including Wi-Fi technology, RFID technology, Bluetooth technology,

ZigBee technology and so on. People use the wireless communication technology and

modern network technology to build a huge network consisting of an Internet and

sensor network, thereby connecting the virtual world and the real world. People use this

technology in industrial in order to fully play the strength of high-tech network to create

the live in the future.

First of all, this article introduced the concept of the Internet of things, the research

background and this significance, and then introduced its technologies and development

level in detail, and explained the significance of the topic. Second, it described the

ZigBee protocol architecture, including the physical layer, the media access control

layer, the network layer and application layer protocols, and described the ZigBee

technology network topology. Third, it major researched the peripheral of the Internet of

things--terminal equipment, the sensor nodes. This article details the design of the

sensor nodes’ hardware and software. Finally, this article uses the internet of things

technology to design a set of applications for industrial control temperature and

humidity monitoring system, and to focused develop the PC software section. The

system uses the ZigBee wireless communication technology to form the Multi-hop

Self-organization sensor network, and via the sensor network transmits the data

information to the central node to centralized treatment, and then uses the serial port to

communicate with the PC. Meanwhile it analysis and process this data. Finally, the PC

connects with other networks and transmits this data to form a ubiquitous network.

Keywords: The Internet of things, ZigBee, Sensor Nodes, WPF,

MVVM

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 物联网概述 .......................................................................................................... 1

§1.2 研究背景和意义 .................................................................................................. 2

§1.3 相关技术 .............................................................................................................. 3

§1.4 国内外先进水平 .................................................................................................. 5

§1.5 主要研究内容及论文组织结构 .......................................................................... 6

第二章温湿度监控系统及 ZigBee 技术 .......................................................................8

§2.1 温湿度监控系统原理 .......................................................................................... 8

§2.2 温湿度监控系统设计思想 .................................................................................. 8

§2.3 各种短距离无线通信技术 .................................................................................. 9

§2.3.1 蓝牙技术 ........................................................................................................9

§2.3.2 Wi-Fi 技术 .................................................................................................... 10

§2.3.3 IrDA 技术 ..................................................................................................... 11

§2.3.4 ZigBee 技术 .................................................................................................. 11

§2.3.5 各种短距离无线通信技术的比较 ..............................................................12

§2.4 ZigBee 协议介绍 ................................................................................................ 13

§2.4.1 ZigBee 技术概述 ..........................................................................................13

§2.4.2 ZigBee 技术协议架构 ..................................................................................14

§2.4.3 ZigBee 技术网络拓扑结构 ..........................................................................21

§2.5 本章小结 ............................................................................................................ 22

第三章传感器节点设计 ...............................................................................................23

§3.1 传感器节点的整体设计方案 ............................................................................ 23

§3.2 数据采集模块 .................................................................................................... 24

§3.3 数据处理模块 .................................................................................................... 25

§3.4 无线数据通信模块 ............................................................................................ 26

§3.5 电源模块 ............................................................................................................ 28

§3.6 节点的软件设计 ................................................................................................ 29

§3.7 本章小结 ............................................................................................................ 30

第四章上位机软件设计 ...............................................................................................31

§4.1 软件整体框架设计 ............................................................................................ 31

§4.2 上位机软件模块化设计 .................................................................................... 32

§4.2.1 开发环境 ......................................................................................................32

§4.2.2 上位机软件方案设计 ..................................................................................34

§4.2.3 上位机软件各功能描述 ..............................................................................37

§4.3 监控软件串口通信设计 .................................................................................... 44

§4.4 数据库设计 ........................................................................................................ 50

§4.5 本章小结 ............................................................................................................ 53

第五章设计方案实现及调试 .......................................................................................54

§5.1 测试结果分析 .................................................................................................... 54

§5.2 本章小结 ............................................................................................................ 57

第六章总结与展望 .......................................................................................................58

§6.1 总结 .................................................................................................................... 58

§6.2 展望 .................................................................................................................... 59

参考文献 .........................................................................................................................60

第一章绪论

§1.1 物联网概述

物联网（The internet of things）[1,2]是通过射频识别、红外感应器、全球定位

系统、激光扫描器等信息传感器节点，按照某种约定的协议，把任何物品及事物

与互联网连接起来，进行信息交换和信息通讯，以此来实现智能化识别、定位、

跟踪、监控和管理的一种现代化网络。由物联网的概念可以看出，其核心和基础

仍然是互联网，是在互联网络基础上延伸和扩展的网络。物联网最大的特点就是

用户终端不再是单纯的 PC 机，而是将其概念扩展到了任何物品，使得物品与物品

之间能进行信息交换和通讯。物联网被称为信息科技革命的第三次浪潮，它将各

种感应器安装在各行各业中的设备或物品中，通过无线通信技术形成传感器网络，

并且将各个物体的实时数据及监控状态通过互联网形式传输给人们，使人们与各

个物体之间达到相互沟通与交流的目的。

物联网概念的早期就是通过射频识别等感知设备将所有的实体通过传感器网

络及互联网的形式连接起来，实现人类与物品、物品与物品之间的智能化识别及

管理方案。其中有两个重要概念，首先物联网是在互联网的基础上发展而来，其

次，射频识别技术是实现物物相连的手段之一。然而，随着信息社会高速发展，

传统的连接方式存在着连接单向性且不具备自组织联网能力等诸多局限性，单纯

地将射频识别技术作为连接物体之间的手段已经不能满足人们的需求。因此，如

今人们更多地利用无线传感网中的相关技术来实现物体与物体之间的连接。通过

在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界

里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展

到人与物、物与物之间的沟通连接。

泛在网[3,4]的概念比物联网概念提出地更早一些，人们将泛在网的概念定义为

无所不在的网络，它能够实现任何人在任何时间、任何地点和任何事物都能进行

通信。传感器网络是指随机分布的传感器节点通过自组织方式建立起来的无线网

络。在无线传感器网络(WSN，wireless sensor network) [5]中最重要的技术就是短距

离、低功耗的无线通信技术，主要包括 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、红外等技术。M2M[6]

是指人与机器或者机器与机器之间的通信，这项技术主要是通过移动通信网络实

现人与物体及物体和物体之间的信息传递。以上诸多概念之间存在关联性，以下

是这些网络概念之间的关联图：

物联网下温湿度智能监控系统的应用研究

泛在网

物联网

传感网

M2M

互联网

移动网

图1-1 各网络概念之间的关联图

§1.2 研究背景和意义

物联网产业紧跟全球经济发展的脚步，全球经济经历了令人沮丧的金融危机

时代，在多方不利因素的影响下，全球经济处于低迷状态，为此各国正努力找寻

新经济的发展方向，以实现经济恢复与振兴。纵观历史，新技术在推动经济建设

方面起到极为重要的作用，在这种国际经济环境背景下，许多国家将物联网新技

术的发展与建设提到了各国发展日程上来。美国总统奥巴马上台以后，为确保本

国在全球经济竞争中的地位、恢复和振兴本国经济提出了“智慧地球”[7,8]这一概

念，这一概念的提出对全国民众而言具有深刻的意义。同样，在 2009 年温家宝总

理到无锡物联网产业研究院进行考察，希望尽快发展中国的传感信息网络中心，

并相应的提出了“感知中国”这一概念。这些举动极大地推动了物联网技术快速

发展。

物联网的概念最初是由 1999 年成立于麻省理工学院的原自动识别技术中心提

出的。这个概念相当简单但应用起来确实相当困难。如果所有的罐头、书籍、汽

车的轮胎或其他各个部件都是装有微设备标签，那我们的日常生活必将经历一场

翻天覆地的转变。正因为出现了物联网，即使在地球的另一边，我们也知道哪些

商品被消耗了，而商品脱销或者产品浪费这些情况将不复存在。在任何时间我们

都能清楚地知道产品处在哪个地点，不可能发生失窃的情况。就连运输途中丢失

的包裹也能通过物联网追踪到。如果我们日常生活中的每一件物品装配了短距离

移动收发器，那么人们就可以通过电脑来对这些物品进行识别并对其操控，计算

机系统能即刻识别出任何一种物品，查看它的属性，监控它的状态。阿尔卡特-朗

讯的 touchatag 服务和 Violet 的镜像小工具提供了一种贴近于物联网的务实消费导

第一章绪论

向，任何人可以通过使用无线射频标签轻而易举地将现实世界的物体连接到网络

世界中。

如今，科技正迅速发展，仅仅通过在日常用品和其他各式各样的小工具中嵌

入一种短距离的移动收发器，就可以建立一种人与物、物与物之间新的联系。一

种新的沟通的维度（图 1-2）加入到了信息与通信科技世界[9]（ICTS）中：我们可

以任何时间、任何地点与任何事物进行相互联系。物体之间的联系将会不断的增

加并创造出一个全新的动态网络——物联网。这并不是科幻小说，更不是业界的

大肆宣传，这是基于坚实的技术进步和网络普及的高瞻远瞩，人类会将这一切幻

想变成现实。

任何时间的联系

任何地点的联系

任何物体间的联系

·PC 之间/人与人之间/

物与物之间/人与物之间

·运动中/户外/

室内/PC 机上

·运动中/室内室外/

夜里/白天

图1-2 一种新的维度

物联网的应用前景是非常广阔的，它的用途遍及智能交通、环境保护、政府

工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个

领域。就制冷行业而言，食品的加工、运输、储藏等环节对于温度要求越来越高，

稍有差池，后果不堪设想。所以对于温度的监控及储藏设备实时数据的采集是至

关重要的。当食品加工后进入速冻通道，接着送往配送中心，再到销售点，这一

系列过程都可以通过物联网对冷库属性的实时监控来获取各个食品的属性信息，

这样如果出现问题，用户就能即时做出反应，追根溯源。

温湿度智能联控系统是物联网的一个应用，它将工业监控某领域的各个环节

通过智能监控系统有效地连接起来，统一进行分配管理，让客户对自己产品的各

个方面有效地实时监控管理，做到有据可循。这样客户可以以更加精确、动态地

方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，更大程度地提高资源利用率和生产力

水平。

§1.3 相关技术

物联网是一场代表未来计算与通讯的科技革命，它的发展取决于一些重要领

域的技术创新，例如，从无线传感器技术到纳米技术。对于物联网这个通信时代

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摘要：

摘要物联网作为当代最重要的新兴产业之一，在工业监控领域的发展已崭露头角。人们希望将工业领域中的设备和物品通过安装一系列感应器，将自身属性数据及监控状态通过多跳自组织成的无线网络进行传输，并与传统的互联网进行连接，实现人们通过现代意义上的物联网与世界各地的物体进行沟通联系。物联网涉及多种无线通信技术，包括Wi-Fi技术、RFID技术、蓝牙技术和ZigBee技术等。利用一定的无线通信技术和现代网络技术，人们构建出一个由传感器网络及互联网组成的庞大网络，从而连接了虚拟世界与现实世界，将这一技术应用于各行各业之中，充分发挥高科技网络实力来创建人们的未来生活。本文首先介绍了物联网的概念、研究背景及其意义...

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