1、地铁温度检测系统计划书地铁温度检测系统计划书目 录第一章 绪 论 11.1 课题研究的背景和意义 11.1.1 地铁温度检测系统的发展现状 11.1.2 课题研究的意义 11.2 无线传感器网络研究综述 11.2.1 无线传感器网络概述 11.2.2 无线传感器网络的特点 21.2.3 无线传感器的研究现状及应用 31.3 论文结构与研究内容 4第二章 ZigBee技术的基础 52.1 ZigBee技术概述 52.2 ZigBee技术优点 52.3 ZigBee协议栈结构 62.4 ZigBee网络设备类型 82.5 ZigBee网络拓扑结构 82.6 ZigBee技术应用前景 9第三章 温度
2、传感器终端设计 113.1 温度传感器终端设计的基本原则 113.2 温度传感器终端总体设计方案 113.3 终端硬件设计 123.3.1 射频收发芯片 123.3.2 温度采集芯片 DS18B20 介绍 143.3.3 协调器节点的硬件设计 163.3.4 传感器节点的硬件设计 163.3.5 上位机与协调器节点硬件电路设计 173.3.6 系统电源设计 183.4 系统软件设计 18第四章 地铁站温度检测系统的实现 224.1 总体方案设计 224.2 下位机软件程序的开发 234.3上位机程序设计 244.3.1计算机串口驱动程序 244.3.2数据的实时显示 244.3.3数据存储和历
3、史数据的查看 254.4 无线网络的组建与数据传输 254.4.1 树簇网组网设计 254.4.2 终端设备入网设计 274.4.3 数据传输设计 284.5网络节点程序的开发 294.5.1备初始化程序 314.5.2汇聚节点的组网 32第五章 地铁站温度检测系统的仿真 335.1 实验平台的建立 335.2 测试结果分析 33总结与展望 35参考文献 36致 谢 37第一章 绪 论1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 地铁温度检测系统的发展现状现有的火灾报警系统，多采用有线技术进行火灾传感网络的组建。这类方案的特点是扩展性能差，布线繁琐，影响美观。由于采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀
4、、鼠咬、磨损，故障发生率较高，误报警率高。无线传输方式构建的无线火灾传感器网络恰好可以避免这些问题。相对而言，无线的方式比较灵活，避免了重新布线，不再需要将网络的基础设施掩埋在地下或隐藏在墙里，无线网络可以适应移动或变化的需要；但是，无线通信技术在火灾监控领域的应用相对还是很少。这主要是因为目前没有一项无线通信技术适合在火灾监控领域进行广泛的推广，而且现有一些无线通信产品的价格偏高，导致无线通信技术在火灾监控中的应用停滞不前。1.1.2 课题研究的意义从21世纪开始,无线传感器网络引起了学术界、军界、工业界的极大关注,世界各国相继启动了关于无线传感器网络的研究计划,其应用领域也扩充到我们日常生
5、活的各个角落，无线传感器网络的发展和广泛应用,已对人们的社会生活产业变革带来极大的影响并产生巨大的推动。它的一个重要优势是摆脱了传统传感器网络的连线限制,解决了成本问题,通过传感器技术微处理器技术和无线通信技术的融合,大大缩短了人和自然之间的距离。随着近年来人类在微电子机械系统、无线通信、数字电子方面取得的巨大成就，使得发展低成本、低功耗、小体积、短距离无线通信的多功能传感器成为可能。ZigBee技术的出现就解决了这些问题。将无线ZigBee传感器网络和人工智能结合，可以大大提高火灾报警系统的可靠性。正是由于ZigBee技术具有功耗极低、系统简单、组网方式灵活、成本低、等待时间短等性能，相对于
6、其他无线网络技术，它更适合于组建大范围的无线火灾探测器网络。1.2 无线传感器网络研究综述1.2.1 无线传感器网络概述无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏)等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，因此引起了人们广泛关注。无线传感器网络典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点(数量从几百到几千个)抛撒到需检测区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当
7、信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关(Sink node)是一个特殊的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。无线传感器网络与传统的无线网络(如WLAN和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。当然，从理论上讲
8、，太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明：传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识(如地址等)的作用
9、在传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短。低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。1.2.2 无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad-hoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点： 硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱
10、很多。这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。 电源容量有限。网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。 无中心网络。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的网络抗毁性。 自组织网络。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成
11、一个独立的网络。 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。 节点数量众多，分布密集。
12、为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。1.2.3 无线传感器的研究现状及应用由于无线传感器网络的特殊性，其应用领域与普通通信网络有着显著的区别，主要包括以下几类。 军事应用。军事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域，由于其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是数字时代战场无线数据通信的首选技术，是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。 紧急和临时场合。在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫
13、星通信地球站以及微波接力站等)可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采用无线传感器网络来进行信号采集与处理。无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。 大型设备的监控：在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进行监控，以掌握设备的运行情况。在不便于安装有线传感器的情况下，无线传感器网络就可以作为一个可选的通信手段。 卫生保健：可以在病人身上安装用于检测身体机能的传感器节点，这些信息汇总后，
14、传送给医生，进行及时处理，为远程医疗创造条件。1.3 论文结构与研究内容本文的主要内容是设计一种基于 ZigBee 无线传感器网络的温度检测系统。主要的研究内容包括：1、温度信息的采集。关键在于选择合适的温度传感器，本文采用数字式温度传感器 DS18B20。2、温度信息的传输与处理。通过 ZigBee 无线传感器网络建立一定范围的无线网络，将采集的温度信息上传到协调器节点进行实时检测。本论文共分为六章，具体结构如下：第一章 ：绪论简要介绍了课题研究的背景和意义，对无线传感器网络进行了概述，并介绍了本文的整体结构。第二章 ：ZigBee 技术的基础研究分析了ZigBee技术的特点、 网络拓扑结构
15、、协议体系结构等。第三章 ：温度传感器终端设计分析了设计的基本原则，总体设计方案，终端硬件设计和系统的软件设计。第四章 ：地铁站温度检测系统的实现介绍了总体的方案设计，其中包括数据是如何采集的，和无线网是如何组建的。第二章 ZigBee技术的基础2.1 ZigBee技术概述ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自
16、组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。在ZigBee技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。各层之间的接通过所定义的逻辑链路来提供服务。ZigBee技术的体系结构主要由物理(PHY)层、媒体接人控制(MAC)层、网络安全层以及应用框架层组成。2.2 ZigB
17、ee技术优点ZigBee技术有以下特点： 省电。由于工作周期很短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式，因此ZigBee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。不同的应用对应的功耗自然是不同的。 可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 成本低。模块价格低廉，且ZigBee协议是免专利费的。 时延短。针对时延敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30 ms，休眠激活时延典型值是15 ms，活动
18、设备信道接入时延为15 ms。 节点通信设置易于配置。 网络容量大。ZigBee可以采用星形、网状、串状结构组网，而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构。从理论上讲，其可连接的节点多达64000个。1个ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，1个区域内可以同时存在最多lO0个ZigBee网络。 安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 全球通用性和完好的开放性。ZigBee标准协议，使ZigBee设备间的通信成为轻而易举的事情。2.3 ZigBee协议栈结构ZigBee 协议栈是一种基于 OSI 标准的
19、七层模型。IEEE 将 802.15.4 定义为低数率无线个域网的标准，该标准分别定义了 PHY 层和 MAC 层。而 ZigBee 联盟则将ZigBee 协议栈中的网络层和应用层标准化。其中应用层又包括应用支持子层、 ZigBee 设备对象、制造商定义的应用对象。其框图如图所示：图2.1 ZigBee协议栈框架图1、物理层(PHY层) 物理层是负责数据的调制与发送的，是 IEEE802.15.4 协议的最下层。它的设计将直接影响到电路的复杂度和能耗。其调制的方式为扩频通信的方式，通过RF收发器实现数据的收发，其无线传输的距离大概为 75m 左右，但是如果加大发射功率，传输距离可以适当增加。
20、ZigBee的频率：2.4GHz、868MHz、915MHz。不同的国家地区使用的频率不用，例如美国使用的是 915MHz，欧洲使用的 868MHz，2.4GHz 则是全球通用的。2、媒体访问控制层(MAC层) ZigBee 的媒体访问控制层的主要功能是为两个 ZigBee 设备的MAC层实体之 间提供可靠的数据链路。MAC层可以提供两种服务：MAC层数据服务和 MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事MAC层的管理活动，并维护一个信息数据库。 IEEE802.15.4 定义的MAC层协议，提供数据传输服务（MCPS）和管理服务 （MLME），其逻辑
21、模型如图 2.2 所示。其中，PD-SAP 是 PHY 层提供给 MAC 的 数据服务接口；PLME-SAP是PHY层给MAC层提供的管理服务接口；MLME-SAP是由MAC层提供给网络层的管理服务接口，MCPS-SAP是MAC层提供给网络层的数据服务接口；MAC层的数据传输服务主要是实现MAC数据帧的传输；MAC层的管理服务主要有信道的访问，PAN的开始和维护，节点加入和退出PAN网、设备间的同步实现、传输事务管理等。图2.2 MAC结构示意图3、网络层(NWK 层)网络层主要是通过使用MAC层提供的各种功能，保证IEEE802.15.4标准MAC 层各种功能的正确执行，其主要任务有建立新的
22、网络、维护网络设备、提供网络路由等。 网络层确保 MAC 子层的正确操作，并为应用层提供合适的服务接口。为了给应用层提供合适的接口，网络层用数据服务和管理服务这两个服务实体来提供必需的功能。网络层数据实体(NLDE)通过相关的服务接入点(SAP)来提供数据传输服务；网络层管理实体(NLME)通过相关的服务接入点(SAP)来提供。4、应用层（APL层)在 ZigBee 协议栈中，应用层提供高级协议栈管理功能，它可以根据具体的问题由用户进行开发。 它是由应用支持子层（APS）、ZigBee 设备配置层和用户程序来组成的。其中应用支持子层的作用是通过ZigBee设备对象和制造商定义的应用对象所用到的
23、一系列服务来为网络层和应用层提供接口。ZigBee设备配置层是用来提供标准的ZigBee 配置服务，它可以定义和处理描述符请求。用户程序实际上就是生产商定义的应用对象。这些应用程序使用 ZigBee 联盟给出的并且批准的规范进行开发且 运行在端点 1 至 240 上。管理服务， 即NLME 利用 NLDE 来完成一些管理任务和维护管理对象的数据库。2.4 ZigBee网络设备类型ZigBee 网络设备类型在ZigBee网络中主要有两种设备类型，一种是全功能设备（FFD），一种是精简功能设备。在无线传感器网络中全功能设备既可以互相通信又可以和精简功能设备通信，而精简功能设备只能与全功能设备进行通
24、信。在一个无线网络中既有全功能设备,又有精简功能设备，精简设备的应用比较简单，主要负责数据的采集，并把数据发送给协调器。它不可以进行数据转发或路由发现等功能，占用的资源较少，成本较低。在由ZigBee设备构成的无线传感器网路中，至少要有一个全功能设备做为整个网络的主协调器，它相对于其他的全功能设备具有更强大的功能，例如超大的存储空间、大功率的收发机等等。它的功能也是最强大的，是整个网络的控制核心，由它来组织整个网络，比如发送信号、添加或删除节点、接收并储存其他设备发送来的数据等等。在一个大型的无线传感器网络中，只有合理的搭配使用全功能设备和精简功能设备，这样才能使系统的成本达到最小化。2.5
25、ZigBee网络拓扑结构ZigBee 技术支持三种网络的拓扑结构，分别是星型网络、树型网络和网状的拓扑结构。在星型的网络拓扑结构中，主要由一个主协调器和若干个从设备组成，如图 2.3所示。主协调器负责建立与维护网络，它一般是全功能设备。其他从设备则直接与 主协调器通信，一般是精简功能的设备。星型网络比较简单，覆盖面积比较小， 实际应用的也非常的少。图2.3 星型网络拓扑结构图对于树簇型网络来说，比较适合分布范围比较大的场合。如图2.4 所示，处于网络最末端的称为“叶”节点，它们是网络中的终端设备。若干个叶节点设备连接在一个全功能设备FFD上形成一个“簇”，若干个“簇”再连接成“树”，故称为树簇
26、形 拓扑网络。在这种网络中，一般只有一个主协调器，由它来负责建立网络、维护设备等等，它具有更多的资源。其它的子设备既可以作为终端也可以作为路由器来使用，实际上树簇状网络就是对星型网络的一种扩展。图2.4 树簇状网络拓扑结构图网状的拓扑结构如图2.5所示。它也具有一个主协调器，但是网络中的任何一个设备都可以与之进行通信。这种结构可以构成比较复杂的网络结构，如网格网络结构。在这种网络结构中设备之间传输数据时，可以通过路由转发的形式，以增大网络的覆盖面积。它具有一定的自愈能力，当某条路径出现问题时，设备会自动搜寻下一条可用路径。适合于建立大型的无线网络。图2.5 网状网络拓扑结构图2.6 ZigBe
27、e技术应用前景随着无线通信技术、微电子技术、计算机技术的快速发展，大力推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。ZigBee 就是这样的一种技术，在监测区域内部署大量的廉价微型 ZigBee节点，通过无线通信的方式形成一个多条的自组织的网络系统，通过协作、感知、采集和处理网络覆盖区域中应用对象的信息，并发送给观察者以供监测。实际上，这种无线传感器网络改变了信息世界同客观上的物理世界的联系，将它们融合在了一起，改变了人与自然的交互方式。 未来移动通信网络除了以低成本实现数据的高速传输外，还要求在无专用通信基础设施的场景下，网络应该具有自适
28、应性和生存能力，无线传感器网络恰好满足上述要求，所以无线传感器在未来的通信网络中会起到越来越重要的地位。 最近几年，ZigBee 技术越来越受到的业内人士的关注，在市场上越来越多的产品开始涌现。据无线数据研究小组统计，2007 年ZigBee产品在市场上的收益可达到80多亿美元，到了2009年，基于IEEE802.15.4规范的无线网络的市场翻了一番，产品量达到1.5亿件产品。相比之下，我国的ZigBee技术发展的比较缓慢，市场占有率不大，相关企业不是很多，但是在一些无线抄表，家庭娱乐上还是有一定的应用的。 相信，在不久的将来，作为新兴的短距离无线通信技术，ZigBee产品将以各种各样的方式快
29、步向我们走来，成为人类生活中不可或缺的一部分。第三章 温度传感器终端设计3.1 温度传感器终端设计的基本原则在设计过程中主要有以下几个原则： 高精度。在多数的实验室中，温度都是比较敏感的环境指标，因此就要求传感器终端的对温度变化的灵敏度及其精度要足够高。 低成本。在多数情况下，终端所监测的环境范围比较广，特别是在某些大型实验室，要求布置的终端个数较多，因此考虑单个终端的成本尤为重要。 低功耗。低功耗也是传感器终端非常重要的性能指标之一，因为终端一般都是采用电池供电，而且经常放在一些环境比较复杂，不宜经常更换的地方。这就要求终端的功耗要低，尽可能的延长电池的使用寿命，进而延长了整个系统的使用寿命
30、。 设备简单。设计传感器终端应当的尽可能小，以便其安装，更能减低成本。3.2 温度传感器终端总体设计方案由于考虑到该终端要具有高精度、低功耗、设备简单等特点，所以微处理芯片将直接选取 Chipcon 公司生产的世界上首个真正的单芯片ZigBee解决方案CC2430作为终端的核心。将采用模块式的设计方案，终端包括微处理器模块（集成了无线射频模块）、数据采集模块以及电源模块。传感器终端的主要工作是将温度传感器测量出的温度信息，经过微处理芯片的处理，在经过无线射频部分将信息传送出去给协调器节点进行实时监测。图3.1 设备终端模块3.3 终端硬件设计3.3.1 射频收发芯片CC2430出自挪威Chip
31、con公司，是一款真正符合IEEE802154标准的片上ZigBee产品。该芯片延用以往CC2420芯片的结构，在单个芯片上集成ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051)，具有3264128 kB可编成闪存和8 kB的RAM，还包含模数转换器(ADC)、几个定时器、AES-128安全协处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路。CC2430还有21个可编程的I/O口引脚，PO、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的IO口或作为连接ADC、计时器或US
32、ART部件的外围设备IO口使用。其IO口引脚功能如下：16脚(P12P17)：具有4 mA输出驱动能力；8，9脚(P10，P11)：具有20 mA的驱动能力；1118脚(P0OP07)：具有4 mA输出驱动能力；4346，48脚(P20P24)：具有4 mA输出驱动能力。图3.2 CC2430外部接口电路图可使天线性能路使用一个非平衡天线,连接非平衡变更好。电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50 )的要求。内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。R221和R261为偏置电阻，电阻R221主要用来为32 MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个
