基于Zigbee技术的无线环境监测系统的设计.docx

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基于Zigbee技术的无线环境监测系统的设计

题目基于Zigbee技术的无线环境监测系统的设计

学生姓名学号

所在学院数学与计算机科学技术学院

专业班级计算机科学与技术班

指导教师

完成地点陕西理工学院

201年6月13日

本科毕业设计任务书

院（系）数学与计算机科学学院专业班级计算机科学与技术（计算机）学生姓名

一、毕业设计题目基于Zigbee技术的无线环境监测系统的设计

二、毕业设计工作自201年11月_27__日起至201年6月20日止

三、毕业设计进行地点:

陕西理工学院

四、毕业设计内容要求：

熟悉嵌入式系统的设计过程，采用Zigbee技术，传感器技术，设计实现基于Zigbee技术的无线环境监测系统，毕业设计内容主要包括:

（1）对环境信息如温湿度、光照等通过相应的传感器进行采集。

（2）串口编程，通过串口通信将采集到的数据传给zigbee通信模块。

（3）研究Zigbee技术，通过zigbee模块将采集到的信息发送到控制端。

（4）控制端将接收到信息进行保存、信息，提供相应的查询功能。

（5）研究如何为系统的管理提供人性化界面及快捷的管理方式。

学生应具备的专业知识：

（1）掌握嵌入式系统编程的整体流程。

（2）熟练掌握C语言编程，QT编程。

（3）对zigbee的工作原理和流程有一定的了解，做到熟练使用。

成果形式：

（1）基于Zigbee技术的无线环境监测系统；

（2）毕业设计说明书；

（3）用户手册。

开题时间：

2014年3月15日，并于此前提交开题报告

课题完成时间：

2014年5月30日

答辩时间：

2014年6月10前

指导教师系（教研室）计算机工程教研室

系（教研室）主任签名批准日期

接受设计任务开始执行日期201学生签名

基于zigbee技术的无线环境监测系统的设计与实现

马强

（陕西理工学院数学与计算机科学学院计算机科学与技术专业13班）

指导教师：

陈

【摘要】本系统研究分析了传感器、ZigBee技术的基本理论，设计实现了基于zigbee无线环境监测系统。

系统采用80C52单片机控制DHT11度传感器采集温湿度数据、zigbee无线模块进行数据传输，用户在服务器端可实时的对环境参数进行监测。

经过测试系统运行稳定，采集数据准确，可用于各种不同环境下的信息监测。

【关键词】DHT11；无线传感器；ZigBee；80C52

DesignandimplementationofwirelessenvironmentalmonitoringsystembasedonZigBeeTechnology

Malongqiang

（ShaanxiInstituteofmathematicsandcomputerscience,computerscienceandtechnologyprofessional103class）

Teacher:

ChenYong

Abstract:

Thesystemanalysisofthebasictheoryofthesensor,theZigBeetechnology,designandimplementationofwirelessenvironmentalmonitoringsystembasedonzigbee.Thesystemuses80C52SCMcontrolDHT11temperatureandhumiditydatacollectedbysensors,ZigBeewirelessdatatransmissionmodule,userscanreal-timemonitoringofenvironmentalparametersontheserver.Afterthetestsystemisstable,accuratedatacollection,canbeusedformonitoringvariousenvironment.

Keyword:

DHT11;environmentalmonitoringwirelesssensor;ZigBee;80C52

引言

环境监测的主要目标是通过检测环境变量参数及变化趋势的数据，判断环境质量，评价当前主要环境问题，为环境管理服务。

环境监测是科学管理环境和环境执法监督的基础。

环境监测是环境保护必不可少的基础性工作，是环保部门的立身之本。

通过环境监测可以搞清楚污染物种类和分布状况，明确污染途径，预测污染变化趋势，预警可能出现的环境问题。

环境监测根据环境管理的需要来测定、获取、解释、运用数据。

环境监测还可作为环境执法监督的技术基础和技术仲裁，为环境管理决策、环境规划、实施总量控制、排污收费、环境指标考核、环境工程、监视污染源排污和评价治理措施及效果验收服务。

在经历了环境监测是环境保护的“眼睛”、“哨兵”、“基础”、“重要支柱”的认识过程后，现在明确提出基于无线网络的环境监测是“一项政府行为”，体现了对环境监测重要性认识的深化。

环境监测在正确认识环境质量，解决现存或潜在的环境问题，改善生活环境和生态环境，协调人类和环境的关系，最终实现人类的可持续发展中起着举足轻重的作用。

1绪论

1.1研究背景及现状

近年来，随着无线网络技术的发展，各种基于无线网络传感器技术的产品层出不穷。

同时，由于环境的不断恶化，人们对环境保护和环境监测提出了更高的要求，越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的研究。

基于无线传感器网络的环境监测系统适合于在煤矿、油田安全监测，温室环境监测、环保部门的大气监测、突发性环境事故的预测及分析、特殊污染企业的监测，生物群种的生态环境监测以及家庭、办公室及商场空气质量监测等领域应用。

利用无线传感器网络实现环境监测的应用领域一般具有以下特点：

（1）无人环境、环境恶劣或超远距离情况下信息的采集和传送，保证系统工业级品质安全可靠。

（2）生物群种对于外来因素非常敏感，人类直接进行的生态环境监控可能反而会破坏环境的完整性，包括影响生态环境中种群的习性和分布等。

（3）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备相对比较多，但仅仅用于监测或控制。

（4）系统实施、运行费用要低，无需铺设大量电缆，支持临时性安装，系统易于扩展和更新。

（5）具有数据存储和归档能力，能够使大量的传感数据存储到后台或远程数据库，并能够进行离线的数据挖掘，数据分析也是系统实现中非常重要的一个方面。

无线传感器网络是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器实时采集信息，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。

在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值，具有十分广阔的应用前景。

无线传感器网络技术作为信息科学技术领域的前沿性技术，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。

国外的许多大学和研究机构纷纷投入大量研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作。

1.2研究目的及意义

本设计以DHT11传感器为信息采集端，AT89C52单片机作为控制核心，实时监测目标环境内温度，湿度等工业参数，并将实测值通过zigbee发送至监测终端。

系统能对大面积的多点温度，湿度进行监测，并将数据传输到PC机上进行数据存储与分析。

整个监测网络是由基于ZigBee技术的无线温、温湿度传感器节点和ZigBee无线网关组成。

无线温、湿度节点放置于需要测量的现场，执行温度和湿度数据采集、预处理和发送等工作。

通过无线传感器发送给接收节点，最后实时的显示温、湿度信息。

本次课题主要是基于zigbee无线环境监测系统的实现，主要是为了解决有线环境监测布线的繁琐，有线监测在环境变化后更改和重用的难度较大，无人和恶劣环境下对监测的不可实现性。

同时，无线传感技术作为国际备受关注的前沿热点领域，致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。

具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、具有较好的兼容性及安全性。

基于无线网络环境监测系统的研究，对于未来人们生活更加智能化有很大的帮助。

1.3开发工具的选择

本系统的开发主要用到KeiluVision4调试编译软件和STC-ISP烧录软件把编译好的软件烧写进开发板内。

KeiluVision4是目前使用广泛的单片机集成开发环境，这个集成开发环境包含：

编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。

同时还提供了KEILC51标准C编译器，为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。

STC-ISP是STC单片机专用的烧录软件，大部分STC单片机内部固化有ISP系统引导程序，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，故不需要编程器并且速度比通用编程器快。

ISP软件界面如图1.1所示。

图1.1ISP软件界面

具体操作步骤：

步骤1：

选择你所使用的单片机型号，STC89C52RC

步骤2：

打开文件，要烧录用户程序，必须调入用户的程序代码（*.bin,*.hex）

步骤3：

选择串口号

步骤4：

设置是否双倍速，双倍速选中DoubleSpeed即可，STC89C52RC系列出厂时为单倍速，用户可指定设为双倍速，如想从双倍速恢复成单倍速，则需用通用编程器擦除整个晶片方可，这会将单片机内部已烧录的ISP引导程序擦除。

一般使用缺省设置即可，无须设置。

OSCDN：

单片机时钟振荡器增益选1/2gain为降一半，降低EMI；选fullgain（全增益）为正常状态

步骤5：

选择“Download/下载”按钮下载用户的程序进单片机内部，可重复执行步骤5，也可选择“Re-Download/重复下载”按钮。

下载时注意看提示，主要看是否要给单片机上电或复位，下载速度比一般通用编程器快。

一定要先选择“Download/下载”按钮，然后再给单片机上电复位（先彻底断电），而不要先上电。

2硬件系统设计

环境监测具有区域内的监测点数量多、监测时间长、监测情况复杂等特点。

针对传统环境监测手段的网络布局困难、节点智能化程度低等缺点，设计了基于ZigBee协议的无线传感器环境监测网络系统。

无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区域需要监测的各种信息，并对这些信息进行处理后以无线的方式传送，通过无线网络最终发送给监控终端。

在ZigBee传感器网络中，传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，在采集、接收、处理及发送数据进的同时，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，并与其他节点协作完成一些特定任务。

这里设计一套简单基于zigbee无线环境监测系统，实时监测某特定环境中的温度和湿度，为环境控制和管理提供准确的数据。

本设计采用了温湿度传感器两种适用于环境监测的传感器作为无线网络的传感器节点。

可以将这些传感器节点分布于室内或室外环境中的各个角落。

在网络协调器（即中心节点）的无线覆盖范围之内，布置若干个路由节点和终端节点，实现网络管理和互相通信。

根据系统的需要，传感器节点应具备以下功能：

（1）传感器信号的采集和处理。

（2）无线数据的发送或转