基于无线传感器网络的室内环境温湿度监测系统的设计与研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 2.08MB 46 页 15积分

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摘要

室内温湿度是空气质量的一项重要指标，传统的监测室内温湿度的方法多是

采用数据采集卡的方式，然而采集卡存在的缺点是传输线多，布线工作量大，扩

展性差，不便于安装和维修，成本也很高，不易维护；有些现场环境十分恶劣，

以致人员无法到达而不能布线。本课题针对传统温湿度监测方法的不足，分析了

无线传感器网络的传输优点，从无线传感器网络的研究现状和实际项目需求的出

发，结合嵌入式技术和 ZigBee 无线通信技术，提出了一种监测温湿度的新型的设

计方案，设计并研究了一套基于无线传感器网络的室内温湿度监测系统。

本文重点研究了如何设计传感器节点，如何采用 ZigBee 技术来搭建无线传感

器网络，如何利用无线传感器网络实现远程数据监测以及实现数据的存储。

论文首先介绍了无线传感器系统设计目标和体系结构，以系统设计目标和体

系结构为基础，论文详细阐述了节点结构及硬件设计方法。其次，对比 ZigBee

技术与几种无线通信技术，深入分析了 ZigBee 协议的优势，给出了各个层的功

能，提出了适用于室内环境监测的温湿度监测系统的设计方案。最后，在节点软

件方面，通过设计了整个网络的流程，并编写相应的程序，实现了 ZigBee 无线网

络的组建与数据的采集传输过程。

本文不仅实现了小型 ZigBee 星型网的搭建，克服了传统复杂布线的问题，还

实现了室内环境温湿度的连续检测，传感器测量数据准确可靠，并对数据进行数

据库存储，便于以后查阅。整个系统达到了预期效果。

关键词：温湿度无线传感器网络节点 ZigBee

ABSTRACT

Indoor air quality humiture is an important indicator of indoor temperature and

humidity, the traditional monitoring many methods is to use the data acquisition card

way, acquisition card to the disadvantages of transmission line, wiring is more big

workload, extensibility is poor, do not facilitate installation and maintenance, costs are

high, easy maintenance. Some field environment are extremely bad that researchers

could not reach and cannot wiring. This topic in traditional temperature monitoring

method, analyzes the shortage of wireless sensor network transmission from wireless

sensor network advantages, the paper based on embedded technology and ZigBee

wireless communication technology, puts forward a new monitoring of temperature

and humidity, the design of a set of design and research based on wireless sensor

network indoor temperature and humidity monitoring system.

This article focuses on how to design sensor node, how to use ZigBee technology

to build a wireless sensor network, how to use the wireless sensor network to realize

remote data monitoring.

This article firstly introduces the wireless sensor system design goal and system

structure, system design and system structure based on target, the paper expounded the

node structure and hardware design method. Secondly, contrast ZigBee technology and

several wireless communication technology, deeply analyzes ZigBee agreement, gives

each layer of functions and puts forward the suitable for indoor environment monitors

the temperature and humidity of the monitoring system design scheme. Finally, on a

node software, through design and the entire network, the process and writing the

corresponding program, realized ZigBee wireless network building and data collection

and transmission process.

This paper not only realize the construction of the small ZigBee star nets, and

fulfilling the indoor environment of temperature and humidity continuously measure,

the measurement data of sensors for accurate and reliable, and of data storage,

convenient for later reference. The whole system achieves the anticipated effect.

Key words: Temperature and Humidity, Wireless Sensor Network,

Node, ZigBee

摘要

ABSTRACT

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

§1.1 课题来源和意义 ............................................... 1

§1.2 课题主相关领域国内外的研究现状 ............................... 2

§1.3 研究的内容及实施方案 .......................................... 3

§1.3.1 无线传感器网络节点设计 ..................................... 3

§1.3.2 通信模式设计 ............................................... 4

第二章系统总体设计 .................................................. 5

§2.1 系统设计目标与设计原则 ........................................ 5

§2.2 系统的体系结构 ................................................ 6

§2.3 系统的总体设计方案 ............................................ 7

第三章系统的硬件设计 ................................................ 8

§3.1 节点结构设计 ................................................. 8

§3.1.1 处理器模块设计 ............................................. 9

§3.1.2 传感器模块设计 ............................................ 13

§3.1.3 电源模块设计 .............................................. 15

§3.1.4 射频模块设计 .............................................. 15

第四章系统的软件设计 ............................................... 17

§4.1 软件开发环境介绍 ............................................ 17

§4.2 ZIGBEE 协议栈设计 ............................................ 19

§4.2.1 物理层设计 ................................................ 22

§4.2.2 MAC 层设计 ............................................... 24

§4.2.3 网络层设计 ................................................ 26

§4.2.4 应用层设计 ................................................ 28

§4.3 采集终端软件设计 ............................................ 30

§4.3.1 数据采集节点软件设计 ...................................... 30

§4.3.2 网络协调器节点设计 ........................................ 32

§4.4 数据中心管理软件设计 ........................................ 33

§4.4.1 串行通信设计 .............................................. 34

§4.4.2 数据库设计 ................................................ 37

第五章系统测试与实验结果分析 ....................................... 38

§5.1 系统测试 .................................................... 38

§5.2 系统实验结果分析 ............................................ 39

第六章总结与展望 ................................................... 40

§6.1 总结 ........................................................ 40

§6.2 展望 ........................................................ 41

参考文献 ............................................................ 42

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 43

致谢 ............................................................... 44

第一章绪论

§1.1 课题来源和意义

随着信息技术的高速发展，机房是整个信息网络工程中的数据传输中心、处

理中心和交换中心。为了让机房设备可以正常运行，对其温湿度监测至关重要。

当计算机系统大规模发展时，机房环境必须满足设备对温湿度的技术要求。机房

的温湿度作为系统设备正常运行的必备条件，我们需要在机房空间里的恰当位置

安装温湿度传感器，从而实现对温湿度进行全面的实时监测，并能在用户的 PC

监测主机上实时显示各个位置的温湿度测量值，当出现超出预设温湿度上下限时，

可采取一定的人工措施改变相应地方的温湿度，以保证整个机房设备的正常运作。

当然，温湿度监测不仅可用于机房监测，温湿度对于空气的调节装置也非常重要，

温湿度问题还在建筑物中的材料完整性、住户舒适度以及室内空气质量方面都扮

演着及其重要的角色，所以温湿度的监测可以广泛应用于如气象，农业，军事，

环保，科研，工业等领域。

考虑到温湿度的重要应用场景，温湿度监测系统也不可缺少。传统的温湿度

监测系统大多通过数据采集卡的方式传输数据,不仅线路冗余复杂,布线成本比较

高，而且容易老化,灵活性差,影响了系统的可靠性。随着当今信息技术飞速的发

展，灵敏，廉价，安全，可靠的温湿度监测系统起着越来越重要的作用。

在当下信息技术快速发展的时代，随着微电子技术、无线通信技术和计算机

等技术的进步,一种无需现场布线的，低功耗的，低成本的，多功能的网络技术

发展起来了，即无线传感器网络，其利用体积微小的传感器来采集数据，处理数

据和无线通信。无线传感器网络(wireless sensor networks, WSN) 是由大量随机部

署在监测区域里的集成有传感器模块、数据处理模块和通信模块的微小节点通过

自组织的方式多跳形成的分布式网络，其目的在于是借助于节点内置的各种传感

器对监测区域内我们所感兴趣的事物进行感知、采集及处理。无线传感器网络结

合了微机电技术、智能传感器技术、嵌入式技术、及无线通信技术等多种技术，所

以无线传感器网络是一个特殊的 Adhoc 网络。

无线室内温湿度监测系统主要是由若干个可移动的温湿度采集节点，一个基

站节点以及监控 PC 主机等组成的。其中，可移动温湿度采集节点节点分布在要

监测的区域,负责温湿度数据的采集、数据的处理及无线发送，而基站节点与采集

节点功能有所不通，主要负责数据的接收,并通过串口送入监控主机，由主机实现

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摘要：

摘要室内温湿度是空气质量的一项重要指标，传统的监测室内温湿度的方法多是采用数据采集卡的方式，然而采集卡存在的缺点是传输线多，布线工作量大，扩展性差，不便于安装和维修，成本也很高，不易维护；有些现场环境十分恶劣，以致人员无法到达而不能布线。本课题针对传统温湿度监测方法的不足，分析了无线传感器网络的传输优点，从无线传感器网络的研究现状和实际项目需求的出发，结合嵌入式技术和ZigBee无线通信技术，提出了一种监测温湿度的新型的设计方案，设计并研究了一套基于无线传感器网络的室内温湿度监测系统。本文重点研究了如何设计传感器节点，如何采用ZigBee技术来搭建无线传感器网络，如何利用无线传感器网络实现远程...

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