基于WSN的地铁车站温度数据采集系统设计毕业设计.docx

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基于WSN的地铁车站温度数据采集系统设计毕业设计

基于WSN的地铁车站温度数据采集系统设计

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

Abstract

Nowadays，therearesomanysubwayprojectsbeingconstructedinsomanycitiesinChina.Itissofast,convenientandfashionablethattakethesubwayhasbecamethefirstchoiceofmanypeopletravel.However,itrequireshighrequirementsforthesecurityofthesubwayenvironment.

Whatisparticularlyimportantinasubwaystationisthetemperaturedetectionandfirealarm.Inthepast,temperaturedatacollectionoftenrelyonawireddevice,whichmeansnotonlycumbersomewiringandaheavyworkload，butalsosignalsusceptibletointerferencefromotherelectronicdevicesintheprocessoflong-distancetransmissionwiththesignalattenuation,thusincreasethedifficultyofsignalprocessing.

Withtherapiddevelopmentofwirelesscommunication,wirelessproductsincreased.Wirelesscommunicationmodulefordatatransmissionwillbecomethenewtrends.

ThedesignisasubwaystationtemperaturedetectionsystembasedonZigBee.SettinguparadiofrequencynetworkusingZigBeetechnologytoformtheframeworkofthetreeclusternetwork.InstalladigitaltemperaturesensorDS18B20tocollecttemperaturedatabyZigBeeterminal,thensenttothehostcomputerthroughawirelessnetwork.

ThedesignfocusesonthedesignofthetemperaturesensorterminalandadetailedanalysisbasedonZigBeetechnologytreeclusterednetworkandPCdisplaydesign.Throughbuildingtheexperimentalplatformandcollectingthetemperatureofthesubwaystation,ZigBee-basedtemperaturesensingsystemofthesubwaystationdesignhasbeencompleted.

Keyword：

ZigBeetechnology，Temperaturedetection，DS18B20，Wirelesscommunications

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。

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，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。

网关（Sinknode）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，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。

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