基于无线传感网络的温度监控系统设计.docx
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基于无线传感网络的温度监控系统设计
基于无线传感网络的温度监控系统设计
摘要
近年来，随着无线通信技术和传感器技术的飞速发展，无线传感器网络越来越得到广泛的应用，特别是在环境监测、智能家居、工业监控等领域的应用。
基于无线传感器网络的温度监控系统用于对温度的自动监控。
无线传感器网络是由一组传感器以AdHoc方式构成的无线网络，其目的是协调地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给监控者。
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现，由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。
这种无线传感器网络综合了传感器技术、微机电系统技术、分布式信息处理和网络通信技术，能够协调地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理。
在信息采集及处理的过程中，涉及到了基于嵌入式系统及面向片上系统的平台设计，基于微机电系统技术（MEMS）的传感器研发，针对分布式系统的数据挖掘及队列数据处理，以及具有自适应组网和自主路由的无线网络协议及其安全问题。
正是对这些课题的不断探索，促成了无线传感器网络研究的各个分支的产生以及标准的制定。
本文是设计一个基于无线传感网络的温度监控系统其中包括温度的采集、无线发射、无线接收、报警等内容的设计可以广泛应用于工业监控、智能楼宇、环境监测等领域
关键词：
无线传感网络；传感器；嵌入式系统；智能家居
TheDesignofTemperaturemonitoringsystembasedonwireless
sensornetworks
Abstract
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofwirelesscommunicationandsensortechnology,wirelesssensornetworkshasbeenwidelyused,especiallyinthefieldofenvironmentalmonitoring,smarthome,andindustrialmonitoringapplications.
WirelesssensornetworkisconstitutedbyagroupofsensorstotheAdHocmodewirelessnetwork,anditspurposeistocoordinateperception,acquisitionandprocessingofthegeographicalareacoveredbythenetwork-awareobject,andissuedtotheobserver.Withtherapiddevelopmentofcommunicationtechnology,embeddedcomputingandsensortechnologyandincreasinglysophisticated,withperception,computingpowerandcommunicationcapabilitiesofthetinysensorsworldwide,arousedbytheseminiaturesensors,sensornetworksofgreatconcern.Thiswirelesssensornetworkintegratedsensortechnology,MEMStechnology,distributedinformationprocessingandnetworkcommunicationtechnology,abletocoordinateavarietyofenvironmentalmonitoringobjectinformationinreal-timemonitoring,sensingandcollectingnetworkdistributionarea,andtheseinformationprocessing.Intheprocessofinformationcollectionandprocessingrelatedtoaplatform-basedsystemembeddedsystems-orientedon-chipdesign,micro-electromechanicalsystems（MEMS）-basedsensordevelopmentfordistributedsystems,dataminingandqueuedataprocessingandadaptivenetworkingandroutingwirelessnetworkprotocolsandsecurityissues.Itisthecontinuousexplorationofthesetopics,contributedtothegenerationofthevariousbranchesofthewirelesssensornetwork,aswellasthedevelopmentofstandards.
Thisarticleistodesignawirelesssensornetwork-basedtemperaturemonitoringsystem,includingthedesignofthetemperatureofthecollection,wirelesstransmitter,wirelessreceiver,alarmandothercontentcanbewidelyusedinindustrialmonitoring,smartbuildings,environmentalmonitoringfield
Keyword：
Wirelesssensornetworks;sensors;embeddedsystems;smarthome
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引言
目前,国外的一些发达国家虽然有一部分先进的无线传感器网络监控系统,由于环境﹑成本等原因,并不适合我国的实际情况。
从实际情况,本着低成本、低功耗的原则,对该系统软硬件进行设计,并解决了传统的有线监控系统的诸多问题,具有简单、灵活和易开发等优点。
无线传感器网络是由大量低成本、能耗低的微小传感器节点构成的无线网络测控系统。
采用多跳对等的通信方式,将具有传感器、数据处理单元及通信模块的大量智能节点散布在感知区域,节点以自组方式形成网络,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象信息并处理、传送到需要的用户,具有自治、自适应等智能属性。
由于体积、成本和功耗等原因,实际资源的使用受到限制。
此外,通常传感器节点需要连续工作很长一段时间,在人力修复无法实现的情况下,一旦有节点损坏或是电源失效等情况,就不能及时获得准确的监测数据。
为此,无线传感器网络的设计在考虑硬件资源非常有限的条件下,选用无线射频收发芯片nRF24L01无线数据传输设备,该设备实现能耗低、成本小的无线网络硬件系统。
根据无线传感器网络的自身特点对无线传感器网络监控系统的硬件和软件进行了较详细的设计方案。
第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
目前，在工业现场数据采集和无线温度采集系统中，要使用大量的基于不同物理机制的传感器，且监控和采集的对象多而分散。
传统的使用线缆直接连接实现信号传输的方式，将严重限制数据采集点的安放灵活性，设备布线困难。
为达到实时、无人值守、不需重新布线的目的，所选用的传感器应该是有源的、准实时、低功耗和便于安装的。
因此，通过无线通信的方式传递数据是一种较为理想的选择，它与有线方式相比主要有成本低、携带方便、布线安装简便等特点，特别适用于远程多点无线数据传输系统的实现。
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。
无线传感器网络具有组网快捷、灵活等优点，具有很高的研究价值和十分广阔的应用前景。
无线传感器节点负责采集室内温度信息，并将数据按一定的格式传回控制机进行分析处理。
无线温度采集系统的开发有效地解决了低成本、远程数据采集的可行性和安全性等问题，对于无线传感器网络技术在环境监控领域的运用有着重要的参考价值。
根据毕业设计题目的要求和设计需要本次论文设计主要实现对办办公室温度的实时监控。
通过在办公室内安装基于无线传感器网络的温度采集节点来测量楼内各点温度，经过分析处理完成温度的监控。
本次毕业设计研究了一种基于无线传感器网络技术的无线温度监控系统。
1.2无线传感网络的研究和发展现状
1.2.1无线传感网络
无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
它的英文是WirelessSensorNetwork,简称WSN。
大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。
在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。
1.2.2无线传感网络的特点
无线传感器网络具有以下特点：
（1）传感器节点的通信能力有限。
传感器网络中的传感器传输速率低1，通信距离近j一般只有几十到几百米a由于传感器往往工作在环境恶劣地区，更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电、潮湿、水浸等自然环境的影响，一方面造成传感器间的通信不可靠，另一方面可能使传感器出现故障、甚至损坏嘲。
（2）传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限。
随着传感器节点的微型化，在设计中大部分节点的能量靠电池提供，其能量有限，而且由于条件限制，难以在使用过程中给节点更换电池，所以传感器节点的能量限制是整个无线传感器网络设计的瓶颈，它直接决定了网络的工作寿命册；另一方面，传感器节点的计算能力和存储能力都较低，使得其不能进行复杂的计算和数据存储，因而对于无线传感器网络的研究者们提出了挑战，它们必须设计简单有效的路由协议等，来适用于无线传感器网络。
（3）无线传感器网络的拓扑结构易变化，具有自组织能力。
由于无线传感器网络中节点节能的需要，传感器节点可以在工作和睡眠状态之间切换，传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者添加新的传感器节点到网络中，这些情况的发生都使得无线传感器网络的拓扑结构在使用中很容易发生变化。
此外，如果节点具备移动能力，也必定会带来网络的拓扑变化。
基于网络拓扑结构的可变性，无线传感器网络具有自组织、自配置的能力喁1。
（4）数据传输方向性强。
在传感器网络中，数据传输具有很强的方向性。
通常，查询信息是通过广播或多播的方式从观察者向网络内传感器传输，而探测结果信息则是由分布在各处的传感器节点向查询节点汇聚。
无线传感器网络的随机布设、自组织和环境适应能力强等特点使其在军事、环境监测、智能交通、医疗设备、智能家居等各个领域和其他商业领域都有广阔的应用前景和很高的应用价值。
1.2.3无线传感器网络的研究及发展现状
无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，美国的加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、麻省理工大学和康奈尔大学等几所大学已经进行了无线传感器网络基础理论和关键技术的研究，许多著名公司也纷纷从不同的层次、不同的角度对传感器网络进行了研究和开发。
2002年，美国加州大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合在大鸭岛上部署了用来监测岛上海鸟生活习性的无线传感器网络，它们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近lO种类型的传感器，系统通过自组织无线网络，将数据传输到100mP}’的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器进行分析研究。
2003年，美国自然科学基金委员会制定了无线传感器网络研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，并联合加州大学伯克利分校、南加州大学等，展开了“嵌入式智能传感器”研究项引121，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究，这也是美国国情咨文中有关Internet2最主要的远景规划之一。
2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。
该系统通过在鞋、家具及家用电器等家中用具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。
2005年美国BEA系统公司为提高美军的电子战能力而研发的“狼群"地面无线传感器网络系统是一个典型的无线传感器电磁信号监测网络，它具有多功能电子战能力，不仅可以监听地方雷达和通信，分析地方的网络和系统的运动，还可干扰敌方发射机或用算法包来渗透敌方的计算机。
2006年美国军方成功地测试了由无线传感器网络组建的枪声定位系统。
它是将节点安置在建筑物周围，按照一定的程序组建成网络进行突发事件的的检测，经鉴定其精度可达lm，反应时间短于3秒，为救护、反恐提供了有力的辅助手段。
采用无线传感器网络，可以让大楼、桥梁及其他建筑物能够感知并汇报自身的状态，从而让管理部门按照优先级来进行一系列的维修工作，例如，将具有温度、湿度、压力、加速度、光度等传感器的节点布放在重点保护对象当中，无须拉线钻孔，便可有效地对建筑物进行长期的监测。
我国近几年也加快了无线传感器网络研究步伐，中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、中科院计算所、软件所、电子所和合肥智能所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、浙江大学、国防科技大学和中国科技大学等院校在国内较早地展开了无线传感器网络的研究。
中科院上海微系统研究所凭借其在微系统和微机电系统技术方面良好的基础，从1998年开始就对无线传感器网络进行了跟踪和研究，并且已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发，他们的很多工作都是与CDMA和GPS技术相关，从某种程度上说己经超越了无线传感器网络技术的范畴㈣。
中科院计算所（宁波）成立了专门的项目组，开发了自己的系列节点，配套协议栈以及网络管理软件，以提供一个实验和研究平台。
中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感和控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少。
浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室"，联合相关单位专门从事面向无线传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究。
2007年无线传感器网络控制实验室设计了一个多跳无线轮询网络，应用于敦煌微气象环境检测，主要负责对莫高窟内温度、湿度以及二氧化碳浓度进行检测。
目前我国无线传感器网络的研究取得了二定的成就，支撑无线传感器网络的关键技术研究也取得了一定的进展，如无线通信技术、芯片集成技术的成熟和进步。
但从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的水平相对国外还有差距，研究内容多数还停留在理论阶段，开发出的硬件和软件系统以实验目的为主，仍然缺少对整个系统的创新性研究。
无线传感器网络作为未来世界的重要技术有着广阔的应用前景，但要想让它真正融入到人们生活的每个层面，还需要我们开展更多、更全面的研究工作。
1.3课题研究的主要内容
根据毕业设计题目的要求和设计需要本次论文设计主要实现对温度的监控，本次设计的主要任务是：
1.系统方案的论证和选择；
2.系统硬件的设计；
3.系统软件的设计；
第2章系统方案设计
2．1系统方案的论证
方案一：
如图2-1所示：
模拟型传感器输出模拟型号，经过模拟缓冲，放大后经过A/D转换后接单片机。
这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差，有由于检测系统环境复杂，检测点多，信号传输距离远及各种干扰的影响，会使得检测系统的稳定性和可靠性下降，而且这种设计要用到复杂的算法，硬件电路复杂，硬件结构复杂成本高。
图2-1方案一原理框图
方案二：
采用数字温度传感器DS18B20测量温度，输出信号全数字化，可以直接接到单片机上，处理简单，可靠性高。
原理图如图2-2所示。
图2-2方案二原理框图
2．2系统方案设计原则
构建远程温度采集网络时需要考虑数据的传输方式、通信的质量、数据安全、是否便于安装和成本等问题。
因为要将系统应用到多个办公楼和锅炉房之间，所以还要考虑周围恶劣的环境所带来的干扰。
本设计主要从以下几个方面来考虑：
（1）远程数据传输方式
远程数据传输方式有很多，需要根据系统应用的实际环境和工况来确定数据传输方式。
由于系统要求应用在办公楼区内，其应用环境较复杂，要做到布点容易、安装简单、易于操作，需要采用无线的方式传输数据。
（2）无线通信质量被测现场的周围环境比较复杂，存在墙体和树木等物体带来的干扰，所以系统需要选择有效的无线收发模式来克服传输距离和障碍物干扰的问题，以确保无线通信质量。
（3）数据安全性
应用射频技术的无线数据传输j存在安全性阿题：
在公共频段下数据的传输处于公开状态，任何人都有可能接收到系统发出的数据，因此数据在发送之前要进行严格的加密，接受数据时要进行严格的校验和解密，以确保数据安全。
（4）低成本
低成本是节点设计的基本要求，这是大规模无线传感器网络广泛进入实际应用的必要前提。
2．3系统方案的选择
方案一：
此方案采用PC机实现。
他可以实现在线编程，在线仿真。
在这种方案中，调试十分方便，而且人机交互友好。
但是PC机与DS18B20之间不能直接通讯，需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐。
而且在一些条件较为恶劣的场合，PC机体型过大，携带安装不方便，性能不稳定，会给工程带来诸多麻烦。
方案二：
此方案采用8051单片机实现。
单片机软件编程的自由度大，可以通过编程实现各种逻辑控制和算术算法，其体积小，硬件实现简单，安装方便。
既可以单独对多个DS18B20进行控制，又可以和PC机进行通讯。
综上所述，本无线温度控制系统以及主控部分都采用方案二。
由于经费有限，本系统暂时实现单点温度无线测量。
DS18B20采集温度数据送到从单片机，再从单片机送到NRF24L01无线模块发送出去，接收端NRF24L01无线模块接收发送过来的信号，并把它送到主单片机进行数据处理。
这种方案实现简单，扩展性好，成本低。
实际采用电路方案如图2-3所示。
图2-3本系统采用的电路方案框图
第3章系统的硬件电路设计
3.1系统电路主要硬件元件介绍
根据上一章的论证选取的系统方案需要选取一定的硬件，本文基于无线传感器网络的温度监控系统说用到的元件有：
8051单片机，DS18B20数字温度传感器，LCD1602，nRF21L01等。
3.1.18051单片机
为了实现温度的采集，与上微机的通讯及对外设的控制，本系统的采用8051为内核。
1.8051基本参数
8位CPU
4KB字节的掩膜ROM程序存贮器
128字节的RAM
4个8位的IO口（P0~P3）
2个16位定时器/计数器
1个全双工异步串行口
5个中断源，2个中断优先级的中断控制器
时钟电路，时钟频率在1.2MHz~12MHz
2.芯片内部逻辑结构：
中央处理器（CPU）：
运算器、控制器、寄存器
内部数据存储器（RAM）：
有128字节数据存储器（RAM）和21个专用寄存器单元SFR统一编址
内部程序存储器（ROM）：
4K字节程序存储器（ROM）。
定时/计数器：
两个16位的可编程定时/计数器。
并行输入输出口：
4个8位并行I/O口（P0--P3）。
串行口：
一个全双工异步串行通信口。
中断控制系统：
五个中断源（2外、3内）
时钟电路
位处理器：
又称为布尔处理器。
3.8051信号引脚介绍
单片机的40个引脚大致可分为4类：
电源、时钟、控制和I/O引脚。
（1）电源:
①VCC-芯片电源，接+5V；
②VSS-接地端；
（2）时钟:
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
（3）控制线:
控制线共有4根，
①ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
②PSEN:
外ROM读选通信号。
③RST/VPD:
复位/备用电源。
④EA/Vpp:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
⒋I/O线
80C51共有4个8位并行I/O端口：
P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
3.1.2数字式温度传感器DS18B20
（1）DS18B20数字温度传感器概述
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
其引脚分布见图3-1，引脚功能描述见表3-1。
图3-1 DS18B20引脚分布图
表3-1 DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数字输入输出引脚,开漏单总线接口引脚,当使用寄生电源时,可向电源提供电源
3
VDD
可选择的VDD引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必须接地
（2）DS18B20的命令序列
①初始化
②ROM命令跟随着需要交换的数据；
③功能命令跟随着需要交换的数据。
访问DS18B20必须严格遵守这一命令序列，如果丢失任何一步或序列混乱，DS18B20都不会响应主机（除了SearchROM和AlarmSearch这两个命令，在这两个命令后，主机都必须返回到第一步）。
a．初始化：
DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。
由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。
当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。
b.ROM命令：
ROM命令通过每个器件64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件（如果有多个器件挂在总线上）与之进行通信。
DS18B20的ROM如表3-3所示，每个ROM命令都是8bit长。
表3-2ROM的内存指令
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20中的编码（即64位地址）
符合ROM
55H
发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20,使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备
搜索ROM
0F0H
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作好准备
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址，直接向DS18B20V温度转换命令，适用于单个DS18B20工作
告警搜索命令
0ECH
执行后，只有温度超过庙宇值上限或下限的片子才做出响应
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500ms（典型为200ms）,结果丰入内部9字节
升级会员 