1、基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计共 2 页 第 1 页装订线摘 要如今，在中国掀起了地铁项目建设的高潮，地铁作为方便快捷，时尚绿色的交通方式，已经成为了诸多市民出行的第一选择。民心所向，地铁项目在中国遍地开花结果。这就需要对地铁环境的安全性提出了较高的要求。其中尤为重要的一项是地铁站的温度检测和火灾报警。以往的温度数据的采集往往靠有线的设备，不仅布线繁琐，工作量大，而且信号在远距离传输的过程中易受其它电子设备的干扰，自身也存在着信号的衰减，增加了信号处理的难度。随着无线通信的快速发展，无线产品如雨后春笋般迅速增加，因此，利用无线的通信模块来实现数据的传输必将成为新的发展趋势。本设计
2、是基于 ZigBee 的地铁站温度检测系统，利用无线射频网络 ZigBee 技术构架起树簇型网络。通过 ZigBee 终端上安装数字式温度传感器 DS18B20 进行温度采集，然后通过无线网络发送给上位机，以供检测。本设计重点介绍了温度传感器终端的设计，并详细分析了基于 ZigBee 技术的树簇状网络的构建及上位机显示设计。并通过搭建实验平台，对地铁站温度实现了采集，完成了基于 ZigBee 的地铁站温度检测系统的设计。关键词：ZigBee 技术，温度检测，DS18B20,无线通信基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计共 2 页 第 2 页装订线AbstractNowadays，ther
3、e are so many subway projects being constructed in so many cities in China. It is so fast,convenient and fashionable that take the subway has became the first choice of many people travel.However,it requires high requirements for the security of the subway environment.What is particularly important
4、in a subway station is the temperature detection and fire alarm. In the past, temperature data collection often rely on a wired device, which means not only cumbersome wiring and a heavy workload，but also signal susceptible to interference from other electronic devices in the process of long-distanc
5、e transmission with the signal attenuation, thus increase the difficulty of signal processing.With the rapid development of wireless communication,wireless products increased.Wireless communication module for data transmission will become the new trends.The design is a subway station temperature det
6、ection system based on ZigBee.Setting up a radio frequency network using ZigBee technology to form the framework of the tree cluster network.Install a digital temperature sensor DS18B20 to collect temperature data by ZigBee terminal,then sent to the host computer through a wireless network.The desig
7、n focuses on the design of the temperature sensor terminal and a detailed analysis based on ZigBee technology tree clustered network and PC display design.Through building the experimental platform and collecting the temperature of the subway station, ZigBee-based temperature sensing system of the s
8、ubway station design has been completed.Keyword：ZigBee technology，Temperature detection，DS18B20，Wireless communications基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计第 0 页 共 41 页装订线目 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 .
9、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
10、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
11、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基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计第 1 页 共 41 页装订线致 谢 .37基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计共 37 页 第 0 页装订线第一章 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、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
12、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
13、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
14、。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基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计共 37 页 第 1 页装订线域、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
15、和发出者，也充当信息的路由者，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
16、。当然，从理论上讲，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
17、识(如地址等)的作用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
18、普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点操作系统设计基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计共 37 页 第 2 页装订线中，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
19、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
20、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。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
21、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、能快速基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计共 37 页 第 3 页装订线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
22、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，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
23、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、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。基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计共 37 页 第 4 页装订线第二章 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
24、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 ZigBe
25、e 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 ZigBee 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
26、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基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计共 37 页 第 5 页装订线个ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个
27、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。
