基于无线传感器网络的环境参数检测系统设计毕业设计论文格式模版城市.docx
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基于无线传感器网络的环境参数检测系统设计毕业设计论文格式模版城市
河北工业大学城市学院
毕业论文
作者：
王佳兴学号：
098238
系：
信息工程
专业：
通信工程
题目：
基于无线传感器网络的环境参数
检测系统设计
指导者：
苏彦莽讲师
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
年月日
毕业设计（论文）中文摘要
基于无线传感器网络的环境参数检测系统设计
摘要：
本文采用节能的无线收发器IP-Link1000，IEEE802.15.4标准。
首先研究了远程信息收集以及综合传输技术，已经开发出了无线传感器网络路由协议与路由功能和子节点，并具有如下研究的主要节点（SinkNode）通过互联网接收数据的功能，也是PC使用的应用程序对应的节点，可以得到的数据主节点，在其中，由C8051F340芯片驱动的子节点可能会收到在IP-Link1000。
集成网卡首席节点通过调度数据已经成功地安装了相应的软件与PC沟通，达到了设计目标。
关键词：
无线传感器网络C8051F340路由协议环境监测
毕业设计（论文）外文摘要
TitleDesignOfEnvironmentalMonitoringSystemBasedOn
WSNTechnology
Abstract
ThethesisadoptslowpowerconsumptionwirelesstransceiverIP-Link1000whichfollowsIEEE802.15.4standard.Ithasstudiedthewirelessdatacollectingandtheintegrativetransmissiontechnology,hasdevelopedthechild-nodeofWSNwiththeroutingfunctionandtheroutingprotocol,andhasresearchedthechiefnode（SinkNode）withthefunctionofreceivingdatabyInternetandalsothePCapplicationusedtocorrespondwithSinkNodethatcangetdatafromchiefnode.Amongthem,thechild-nodedrivenbytheC8051F340chipmayreceiveanddispatchdatathroughtheIP-Link1000accurately.ThechiefnodeIntegratedwiththenetcardhascommunicatedwiththePCinstalledthecorrespondingsoftwaresuccessfullyandachievedthedesigngoal.
Keywords：
WSNC8051F340RoutingProtocolEnvironmentalMonitoring
1绪论…………………………………………………………………………………1
1.1引言………………………………………………………………………………1
1.2国内外发展概况及前景展望……………………………………………………1
1.3课题研究的目的及意义…………………………………………………………2
1.4课题要研究的内容及要完成的任务……………………………………………3
1.5系统整体方案设计………………………………………………………………4
2系统硬件设计………………………………………………………………………5
2.1基于C8051F340的各节点核心模块…………………………………………5
2.2ZigBee收发模块………………………………………………………………8
2.3无线模块IP-Link1000…………………………………………………………9
2.4子节点硬件结构图……………………………………………………………12
2.5主节点设计概述………………………………………………………………12
2.6主节点硬件结构图……………………………………………………………13
2.7温湿度传感器控制电路硬件设计……………………………………………13
2.8电源电路………………………………………………………………………14
2.9MAX813看门狗电路……………………………………………………………15
2.10DAC108S085……………………………………………………………………18
3系统软件设计……………………………………………………………………21
3.1无线模块IP-Link1000………………………………………………………21
3.2温湿度传感器控制电路软件设计……………………………………………24
4网络路由…………………………………………………………………………25
4.1无线传感器网的络路由协议简介……………………………………………25
4.2网络拓扑结构…………………………………………………………………26
4.3路由实现方法…………………………………………………………………26
5系统调试…………………………………………………………………………27
5.1调试准备………………………………………………………………………27
5.2地址配置………………………………………………………………………29
5.3收发程序………………………………………………………………………29
5.4通信协议………………………………………………………………………33
5.5调试结果………………………………………………………………………33
结论……………………………………………………………………………………34
参考文献………………………………………………………………………………35
致谢……………………………………………………………………………………37
附录A硬件电路原理图……………………………………………………………38
附录B硬件电路实物图…………………………………………………………39
1绪论
1．1引言
本文主要研究选择WSN来实现无线通信，来完成基于上位机的远程无线方式去监测环境的参数。
本章首先介绍了无线传感器网络的国内外发展概况，随后对本课题研究的意义进行了说明，接下来简明的阐述了课题研究的主要内容及要完成的任务。
1．2国内外发展概况及前景展望[3]
我国现有的环境指标有400余项，包含了水质、大气、土壤、辐射、噪声、农药和固体废物等领域。
已开展了预报监测日报、环境质量的监测、环境质量监测周报等。
需监测污染因子有百余种[1][2][3]。
环境检测以及其仪器发展趋势：
1、目前人工采样与实验室的分析为主，转向智能化、自动化、网络化的监测方向发展；
2、从劳动密集型到技术密集型方向发展；
3、从较窄的领域监测到全方位的领域监测发展；
4、从单纯的地面环境的监测到和遥感环境的监测互相结合方向发展；
5、环境监测的仪器将要向质量高、多功能、集成化、自动化、系统化与智能化方面发展；
6、环境监测的仪器向生物、化学、物理、光学、电子等技术的综合应用高技术领域方向发展。
无线传感器网络的发展现状：
野外复杂环境的监测中存在布线困难，维护难度高的问题，于是使用了无线的形式进行了监测点之间数据的传输，无线传感器网络就产生了。
无线传感器网络[3][4]（WSN—WireLessSensorNetworks）由称为“微尘（mote）”的智能PC所构成，微型的计算机具无线网络的功能独立功耗低的微处理器。
若干“微尘”能经无线功能合成网络，实现彼此的通信并交换之间的各种信息。
无线传感器网络的节点之典型结构图1-1。
节点的组成有四个部分：
（1）运算部分是微处理器所构成；
（2）通信部分：
无线的收发电路；（3）检测部分由一个或若干传感器所构成；（4）电源部分：
供电的电池。
图1-1无线传感器网络节点结构
无线传感器网络的特点[5][6]：
低功耗；
计算的能力与存储的容量有限；
通信的能力有限；
传感器的数量大、范围分布广；
以数据当作中心；
数据率低；
复杂度低、生产成本低、运营成本低。
因为无线传感器网络的这些特点，它己经被广泛应用于各个环境监测系统。
1．3课题研究的目的及意义[3][30]
随着半导体技术、计算机技术、通讯技术等信息技术的飞速发展和现在高科技的进步，人们的生活水平有了很大的提高，人们对于环境要求亦愈来愈高，环境的问题已经开始取得了社会的重视。
目前，开发合适中国国情、价格足够低的远程的监测系统是环境监测发展的一个重要方向，然而环境的监测系统非常重要的一点是怎样取得环境参数，没缺乏环境参数就不能进行随后的分析和决策等工作。
自20世纪70年代的时候传感器网络概念的出现起，无线传感器网络（WSN）已然是传感器网络的第四代，无线传感器网络为当前国际上非常受关注的并涉及多学科的高度交叉、知识高度集成的非常前沿的热点研究的领域。
它包含了传感器技术、现代网络及无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术等，能够经各类集成的微型的传感器互相协作实时监测并感知采集各种的环境或者监测对象信息，此信息经无线方式发送，并用自组多跳网络的方式传送至用户终端，能在任何时间和地点向人们供给所需的信息。
繁荣的前景卷起了人们对WSN研究的热潮。
我国是世界上设施栽培面积最大的国家，而且近几年国产连栋温室斗医每年新增100～150万公顷的速度发展。
指引温室用户因作物要求去调节环境因子来提高作物的产量与品质，此为温室环境因子调控决策支持系统的主要方向和目标。
但是，现在的温室测控系统多数选择有线方式布网、人工方式测量，致使现场的安装困难，工作效率低，测量的精度较差，这不仅大大增加了电气工程施工的费用，同时也致使施肥等工作困难；除此之外，系统中个个监控点无自组织的功能和自愈的能力，维护的工作量大，亦妨碍系统的升级。
所以，想要实现温室作物的高产、优质和高效，开发研制新型的温室环境测控系统是非常必要的。
无线传感器网络技术为现代的传感器技术、通信技术、微电子技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术等多个技术的综合。
将无线传感器网络技术引用至温室大棚的生产中，农业有可能渐渐的由以人力为中心、依赖孤立生产模式改以信息与软件作为中心生产模式。
达成温室信息的采集的自动部署和智能控制还有自组织的传输和大幅提高的单位面积劳动的生产率与资源的产出率，从而改善温室和其他设施工作的环境与工作的条件，来提高工作的效率、农民身体的健康、农民生活的质量，有助于“三农”的问题解决，对于实现温室的作物生产可持续的发展有重要的意义。
1．4课题研究的内容及要完成的任务
本文以“基于无线传感器网络的环境参数检测系统设计”为研究内容，利用WSN、以单片机为核心搭建系统各节点硬件电路，实现上位机与终端节点的无线收发功能，添加终端节点控制电路，最终实现系统的功能。
本课题主要完成的基本任务是：
第一，了解环境参数检测与WSN技术，完成基于无线传感器网络的环境参数检测系统的硬件设计；第二，编写主控及节点控制和通信程序，完成系统的软件设计；第三连接各终端节点传感器及控制装置，完成系统设计。
1．5系统整体方案设计
图1-2系统结构图
图1-2为本设计的系统结构图。
由图可知，无线传感器网络中的检测节点（子节点为图中的node和routenode，子节点的结构图如图2-5）把检测的数据经ZigBee模块IP-Link1000或直接或经其他节点（routenode）转发的方式来发送给主节点（Sinknode），主节点不单集成无线模块，还集成网卡协议芯片，使主节点有因特网的功能，能把所接收的数据传送到Internet，安装了接收软件的上位机能接收到这部分数据。
本设计有四大部分：
子节点、子节点之间的组织方式、主节点、上位机软件。
2系统硬件设计
2．1基于C8051F340的各节点核心模块[5][31]
MCU（MicroControlUnit微控制单元）模块是主控制节点和终端节点的核心部分，无线发射模块和串行通信的驱动都要由MCU来完成，此外MCU还承担着对收发的数据进行处理的任务，因此MCU的选择关系到系统的性能。
C8051F340器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。
*高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（达48MIPS）
*全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）
*通用串行总线（USB）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和1KFIFORAM
*电源稳压器
*真正10位200ksps的单端/差分ADC，带模拟多路器
*片内电压基准和温度传感器
*片内电压比较器（两个）
*精确校准的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器
*多达64KB的片内FLASH存储器
*多达4352字节片内RAM（256+4KB）
*硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART（最多两个）和增强型SPI串行接口
*4个通用的16位定时器
*具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）
*片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器
*多达40个端口I/O（容许5V输入）
具有片内的上电复位、电压的调整器、VDD的监视器、看门狗的定时器与时钟振荡器C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件可独立进行工作。
FLASH存储器还有系统的重新编程的能力，能用在非易失性数据的存储，并且允许现场进行更新的8051固件。
用户软件可对外设有完全控制，能断掉任何或者所有外设来节省功耗。
片内SiliconLabs二线（C2）开发接口可允许使用装在最后应用系统的产品——MCU来进行全速的非侵入式（节省片内的资源）的系统调试。
修改存储器、寄存器和调试逻辑的支持观察，单步、运行停机、支持断点和命令。
当使用C2去调试时，全部的模拟与数字外设可全功能的运行。
2个C2接口引脚可以和用户功能达到共享，使得在系统的调试功能时不占封装的引脚。
每种器件都可在工业温度的范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-5.25V的电压下工作。
电源的电压大于3.6V时，必须用内部的稳压器。
USB通信时，电源电压的最小值是3.0V。
端口I/O和/RST引脚容许5V的输入信号电压。
C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用48脚TQFP封装或32脚LQFP封装。
图2-1C8051F340原理框图
引脚名称
引脚号
引脚类型
说明
48脚
32脚
VDD
10
6
电源输入
电源输出
2.7V-3.6V电源电压输入
3.3V稳压器输出。
GND
7
3
地。
/RST
C2CK
13
9
数字I/O
数字I/O
器件复位。
内部的上电复位、VDD监视器漏极开路的输出。
1个外部源能经把该脚驱动是低电平（至少15us）来启动1次系统的复位。
C2调试接口时钟的信号。
C2D
14
-
C2调试的接口双向的数据的信号。
P3.0
C2D
-
10
数字I/O
数字I/O
端口
C2调试接口双向数据的信号。
REGIN
11
7
电源输入
稳压器5V输入。
此引脚为片内的稳压器输入。
VBUS
12
8
数字输入
VBUS的检测输入。
此引脚应该被连接到USB网络的VBUS信号。
此引脚上的5V信号指示此有USB的连接。
D+
8
4
数字I/O
USB的D+。
D-
9
5
数字I/O
USB的D-。
P0.0
6
2
数字I/O或模拟输入
端口P0.0
P0.1
5
1
数字I/O或模拟输入
端口P0.1
P0.2
4
32
数字I/O或模拟输入
端口P0.2
P0.3
3
31
数字I/O或模拟输入
端口P0.3
P0.4
2
30
数字I/O或模拟输入
端口P0.4
P0.5
1
29
数字I/O或模拟输入
端口P0.5
P0.6
48
28
数字I/O或模拟输入
端口P0.6
P0.7
47
27
数字I/O或模拟输入
端口P0.7
P1.0
46
26
数字I/O或模拟输入
端口P1.0
P1.1
45
25
数字I/O或模拟输入
端口P1.1
P1.2
44
24
数字I/O或模拟输入
端口P1.2
P1.3
43
23
数字I/O或模拟输入
端口P1.3
P1.4
42
22
数字I/O或模拟输入
端口P1.4
P1.5
41
21
数字I/O或模拟输入
端口P1.5
P1.6
40
20
数字I/O或模拟输入
端口P1.6
P1.7
39
19
数字I/O或模拟输入
端口P1.7
P2.0
38
18
数字I/O或模拟输入
端口P2.0
P2.1
37
17
数字I/O或模拟输入
端口P2.1
P2.2
36
16
数字I/O或模拟输入
端口P2.2
P2.3
35
15
数字I/O或模拟输入
端口P2.3
P2.4
34
14
数字I/O或模拟输入
端口P2.4
P2.5
33
13
数字I/O或模拟输入
端口P2.5
P2.6
32
12
数字I/O或模拟输入
端口P2.6
P2.7
31
11
数字I/O或模拟输入
端口P2.7
P3.0
30
数字I/O或模拟输入
端口P3.0
P3.1
29
数字I/O或模拟输入
端口P3.1
P3.2
28
数字I/O或模拟输入
端口P3.2
P3.3
27
数字I/O或模拟输入
端口P3.3
P3.4
26
数字I/O或模拟输入
端口P3.4
P3.5
25
数字I/O或模拟输入
端口P3.5
P3.6
24
数字I/O或模拟输入
端口P3.6
P3.7
23
数字I/O或模拟输入
端口P3.7
P4.0
22
数字I/O或模拟输入
端口P4.0
P4.1
21
数字I/O或模拟输入
端口P4.1
P4.2
20
数字I/O或模拟输入
端口P4.2
P4.3
19
数字I/O或模拟输入
端口P4.3
P4.4
18
数字I/O或模拟输入
端口P4.4
P4.5
17
数字I/O或模拟输入
端口P4.5
P4.6
16
数字I/O或模拟输入
端口P4.6
P4.7
15
数字I/O或模拟输入
端口P4.7
表1C8051F340引脚和封装定义
2．2ZigBee收发模块[3]
作为新一代无线网络技术，ZigBee的核心基础协议是IEEE802.15.4，其收发模块功耗低，距离短的特点使其更适合在本设计中应用[7]。
它具有以下几个特点：
1、系统功耗低；
2、系统成本低；
3、安全的数据传输；
4、灵活的工作频段；
5、灵活的网络结构，支持星型、树簇型和对等型三种网络结构；
6、超大的网络容量，能够容纳256个设备。
ZigBee技术在工业控制、无线传感器网络、智能交通、现代农业等领域都有用武之地，特别适合在智能家居系统中使用。
图2-2ZigBee网状网络结构
2．3无线模块IP-Link1000
2.3.1无线模块IP-Link1000概述[3]
本模块是一个主要处于ISM工作频率段的低功耗无线收发器，应用广泛，且IP-Link1000网络层具有灵活可靠性，是无线网络的应用提供的1种新方法。
IP-Link1000里FCC授权的915MHz无线模块。
其主要的特点有:
支持255多网络节点链接方式；
300MHz到1000MHz的无线收发模块；
FSK的调制方式；
高效率的发射和高灵敏度的接收；
内置的集成的微处理器；
具有UART接口；
微功耗待机模式。
2.3.2电气特性和接口定义[3]
IP-Linkl000模块分为双列的直插型（图2-3）和电缆接口型（图2-4）。
图2-3IP-Link1000-B双列直插型图2-4IP-Linkl000-A扁平电缆型
图2-3中，1、40、39号引脚：
接地引脚（GND）
VDD、GND：
模块电源、地引脚。
VDD接+3V至+3.6V电源，GND与电源的接地端连接。
为了保证模块工作稳定，在供电电路中可以加入电源退耦元件。
/RESET：
模块复位，低电平有效。
在/RESET引脚上施加2ms以上的低电平可使模块复位。
AD_IN：
模拟量输入通道。
内部电路将该引脚上的模拟信号以10bit的量化精度、23Khz的采样率进行模/数转换，转换结果保存在模块内部的存储器中。
BUSY：
模块状态指示。
当BUSY=1时，表明模块处于忙状态，此时不能由UART与模块通信；当BUSY二O时，表明模块处于空闲状态，此时可以与模块通信。
TXD0、RXDO：
通用异步串行通讯接口UARTO。
UARTO可以按全双工方式、半双工方式或单工方式工作，其波特率可以通过AT命令进行设置，出厂时的默认值是19200bps，lbit起始位，lbit停止位，无校验位。
WAKE：
唤醒模块信号。
当WAKE=1时，模块处于活动模式（内部的MCU、RF电路正常工作）；当WAKE=0时，模块处在节电模式（内部的MCU、RF停止工作）。
也就是说WAKE引脚出现的下降沿使模块从活动模式转入节电模式，WAKE引脚出现上升沿使模块从节电模式转入活动模式。
ANT：
外接天线引脚。
不合适的天线会影响模块的性能（例如无线数据速率、误码率、无线通信距离等），甚至可能造成模块永久性损坏。
NC：
保留引脚，使用时应悬空。
2．4子节点硬件结构图
数据的采集和传输有硬件结构简单的子节点负责实现，图2-5为子节点硬件组成。
JTAG调试用于调试程序,通过JTAG接口调试,并通过该接口将程序写入Flash存储器。
图2-5子节点硬件结构图
2．5主节点设计概述[3]
主节点设计为无线传感器网络实现的核心部分。
其作用为将所有子节点采集的数据通过internet发送至上位机，没有主节点，所有子节点所采集的数据都无法送达给用户，所以主节点设计为本设计的重点。
而相对于软件的设计而言，主节点硬件设计的部分相对容易，由接收数据的无线模块与实现因特网功能的网络协议芯片通过MCU驱动构成。
2．6主节点硬件结构图
图2-6主节点硬件结构图
主节点的数据发送到物理线路上之后，等待着上位机的接收。
2．
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