无线传感器网络毕业论文Word格式.docx

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3.1无线传感器网络节点 13

3.1.1原理框图 14

3.1.2ZigBee芯片简介 14

3.2应变式节点内部电路 16

3.3网关 18

3.4操作软件 18

3.4.1界面 19

3.4.2软件设置及步骤（以应变节点为例） 20

第4章 无线实验设计及测量数据 25

4.1桥梁概况 25

4.2试验目的 25

4.3静载试验 26

4.3.1试验目的 26

4.3.2测试截面的测点布置 26

4.3.3测试方法 28

4.3.4试验加载计算及加载等级的确定 29

4.4试验流程 30

4.4.1静载试验 30

4.4.2应变 32

结束语 34

参考文献 35

基于无线传感器网络在立交桥检测与监控的应用设计

摘要

随着微机电系统（Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS）、片上系统

（SOC，SystemonChip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。

基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。

这些潜在的应用领域可以归纳为:

军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

在17世纪第一台传感器（ELECTRONICS）被发明的同时，它就被广泛的运用在振动、应变、压力、扭矩、温湿度、流量、气体等测量及工业监控，在生活方面，他也被广泛的使用，如：

电表、水表、脉搏测量仪等。

并且，随

着人类对物质世界的认识不断加深，不同类型、不同种类的传感器被发明出来，像霍尔式传感器、电阻式传感器等等。

本文从无线传感器网络技术的基本结构、工作原理及特性入手，介绍实时监控的无线传感器。

但是我现在做的是技术支持，并不是研究开发无线传感器，故本文侧重于无线传感器的应用，基于实用、广泛和典型的原则而做了本次设计。

本次设计所用传感器均为北京必创科技有限公司生产的无线传感器，对一座立交桥进行安全监测和实时监控。

为保证桥梁安全性和为日后桥梁养护维修管理提供必要的科学依据，拟对其工作状况及承载性能进行检查检测，根据检查检测结果对该桥的安全性能作出评估。

第1章 无线传感器网络概述

无线传感网络（WSN）是当前在国际上备受关注的，涉及多学科高度交叉，知识高度集成的前言热点研究领域。

它综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三员世界的连通。

无线传感网络以最少的成本和最大的灵活性，连接任何有通信需求的终端设备，采集数据，发送指令。

若把WSN各个传感器或执行单元设备视为“豆子”，将一把“豆子”任意抛撒开，经过有限的“种植时间”，就可以从某一粒

“豆子”那里得到其他任何“豆子”的信息。

作为无线自组双向通信网络，传感网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制接点的组网，同时具有一定的移动能力和动态调整能力。

1.1WSN的应用

无线传感网络（WAN）非常灵活广泛，典型应用有：

WAN可用于医疗设备系统中传感器的无线数据连接（如无线心电图和脑电图等）。

减轻患者身上医疗设备的负重。

采用WSN建设农业环境自动监测系统，用同一套网络设备完成风、光、水、电、热和农药等的数据采集和环境控制，提高农业集体化生产程度，简化系统复杂性，降低设备成本。

石化、冶金行业对易燃、易爆、有毒物质监测的成本一直居高不下，WSN在把部分操作人员从高危环境中解脱出来的同时，提高险情的反映精度和速度。

欧洲的“DELTA计划”在汽车车厂前就把车载信标集成在车载计算机中，作车辆识别和车辆与路侧设备通信的必选器件，还可构成自动定位和汽车导航等更完整的应用。

WSN多技术组合时，运用M2M概念，把WSN接入移动通信网络，既满足网络接入的要求，又达到低成本和灵活移动的目的，二者的完美结合可实现无所不在的通信环境和便宜实惠的应用效果。

M2M与WSN联合应用最典型的是智能家居系统。

1.2BEETECH无线传感器的优点

①.抗干扰能力强，安装使用方便。

②.实时８Ｋ字节／秒有效数据传输－更多的节点同时传输，采集过程实时

监测。

③.体积小巧，低功耗，在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用

6~24个月。

④.所有节点全过程同步采集，１００ｕＳ同步精度。

⑤.超强的设计能力，完全的自主知识产权，可按应用定制产品。

1.3IEEE802.15.4/ZIGBEE简介

2003年5月，IEEE802.15.4标准通过，2004年，ZIGBEE联盟成立。

数据安全：

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法

（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵活确定其安全属性。

工作频段灵活：

使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段。

第2章 无线传感器的关键技术

2.1ZIGBEE技术

无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议

（包括MAC层、路由、网络层、应用层等），传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。

ZigBee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，完整的协议栈只有32KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

这些特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。

与现有的各种无线通信技术相比，ZigBee技术在功耗和成本上相对较低，有很大的优势。

一般遇到以下情况就可以考虑使用ZIGBEE技术：

需要数据采集或监控的网点多；

要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；

要求数据传

输可性高，安全性高；

设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；

电池供电；

地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；

现有移动网络的覆盖盲区；

使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；

使用GPS效果

差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。

无线拓扑结构图如图2-1所示。

图2-1无线传感器拓扑结构图

2.1.1ZigBee的由来

在ZigBee技术的使用过程中，人们发现ZigBee技术尽管有许多优点，但

仍存在许多缺陷。

对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，ZigBee技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。

正因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。

2.1.2ZigBee是什么

ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知

同伴，达到交换信息的目的。

可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。

人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意。

ZigBee的基础是IEEE802.15.但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。

主要用于近距离无线连接。

它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；

每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；

另外整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

2.1.3ZigBee技术的特点

省电：

根据资料显示，两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时

间，必创无线传感可连续工作69小时。

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；

节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

时延短：

针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。

网络容量大：

可支持达65000个节点。

安全：

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的

AES-128。

高保密性：

64位出厂编号和支持AES-128加密。

免执照频段：

采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段，2.4GHz（全球）、

915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。

短时延：

Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。

相比较，蓝牙需要

3~10s、WiFi需要3s。

低速率：

Zigbee工作在20~250kbps的较低速率，分别提供

250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

2.1.4ZigBee无线网路软件

ZigBee协议栈由一系列分层结构组成，每一层为上一层提供服务。

数据实

体提供数据传输服务，管理实体提供其他功能服务。

每种服务实体通过服务接入点CsAP为上层提供接口。

PHY层和MAC层由IEEE802．15．4标准组制定。

物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。

物理层数据服务从无线信道上收发数据。

物理管理层维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

ZigBee联盟基于802．15．4标准提供了网络层和应用支持层及应用层框架。

ZigBee网络层提供加入和离开网络机制、对数据