基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计设计.docx

1、基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计设计基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计设计武汉理工大学本科生毕业设计（论文）基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀

2、学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名 刘海波 专业班级 电信0706班指导教师 黄晓放 工作单位 武汉理工大学信息工程学院设计（论文）题目：基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计设计（论文）主要内容： 1、了解无线传感网络的原理和机制； 2、对设计题目所涉及理论进行阐述； 3、编写相关的网络协议程序并进行注释； 4、设计相应的数据采集

3、硬件电路； 5、对所设计的内容进行软件仿真并进行调试改进； 6、撰写设计后的心得体会。要求完成的主要任务： 1、完成无线传感器网络的温湿度数据监测系统软件和硬件设计； 2、完成英文资料翻译，英译汉字数要求5000字以上； 3、论文中所用参考文献不少于25篇，其中英文资料不少于9篇； 4、毕业设计论文中要有12幅以上电路图和设计图； 5、完成毕业设计论文，字数不少于12000字。必读参考资料： 1.无线传感器网络孙利民， 李建中， 陈渝 ， 朱红松 清华大学出版社 2005 2.无线传感器网络原理与应用 李善仓，张克旺 机械工业出版社 2008 3数据采集与处理技术 马明建 西安交通大学出版社

4、2005指导教师签名 系主任签名 院长签名（章）武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应用于GF军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。无线传感器网络(WSNs)是由许许多多功能相同或不同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC/AC能量转换器)等组成。近期微电子机械加工(MEMS)技术的发展为传感器的微型化提供了

5、可能，微处理技术的发展促进了传感器的智能化，通过MEMS技术和射频(RF)通信技术的融合促进了无线传感器及其网络的诞生。传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器(Dumb Sensor)智能传感器(Smart Sensor)嵌入式Web传感器(Embedded Web Sensor)的内涵不断丰富的发展过程。国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控战场传感器系统(Remote Battlefield Sensor System，简称 REMBASS -伦巴斯)、网络中心战(NCW)及灵巧传感器网络(SSW)、智能尘(smart dust

6、)、Inte Mote、Smart -Its项目、SensIT、SeaWeb、行为习性监控(Habitat Monitoring)项目、英国国家网格等。尤其是今年最新试制成功的低成本美军“狼群”地面无线传感器网络标志着电子战领域技战术的最新突破。俄亥俄州正在开发“沙地直线”(A Line intheSand)无线传感器网络系统。这个系统能够散射电子绊网(tripwires)到任何地方，以侦测运动的高金属含量目标。民用方面，美日等发达国家在对该技术不断研发的基础上在多领域进行了应用。我国现代意义的无线传感网及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域

7、方向研究的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展，2004年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学

8、、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司，主要从事城市公共安全应急指挥系统建设，已经承担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海电器科学研究院主要从事智能交通方面的工程，已经承担上海市内、外环智能交通工程。嘉兴中科

9、无线传感网科技有限公司在数字航道、城市应急系统、机场监控等方面有较好的技术背景，相关项目工程正在进行中。沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也传感网应用方面有所涉足，目前主要在电子政务方面，正在向公共安全应急指挥系统进发。目前在我国国内的农业领域还没有应用到ZigBee技术。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备和传感设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和ZigBee网络以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些信息和采集

10、信息的地理位置经由ZigBee网络传送到中央控制设备供农民决策和参考，这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。2、基本内容和技术方案在深入了解国内外温室监控系统研究现状的基础上，根据现代无线技术的发展，介绍了一种新型的基于无线传感器网络的温室环境温湿度监控系统的解决方案。该系统采用多个集温度、湿度传感器于一体的传感器模块，分散的采集温室中的环境参数，建立多跳自组网，并利用ZigBee无线通讯技术，将采集到的数据传送到终端监控中心。监控终端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析和超限报警等。该系统避免了温室中布线的繁琐，同时该系统有体积小，可重复利用，便于安放

11、等优点。本文主要研究内容1 传感器节点硬件和软件系统的研究传感器节点是整个网络的最基本单元。目前市场上应用最广泛的是Crossbow公司推出的Micaz系列节点，但其存在价格昂贵、接口特殊，必须依赖其特殊程序下载硬件的缺点。针对此类问题，论文第三章详细研究了传感器节点的组成结构，设计了节点硬件电路，并在Micaz节点的基础上，增加了JTAG口、ISP口和串口，能够节省大量费用，方便无线传感器网络爱好者自行研制节点。2 终端监控管理软件的设计无线传感器网络的分析与管理是无线传感器网络研究和应用中的一个重点和难点，网络的分析与管理需要一个后台系统的支持。无线传感器网络更类似一个工具，像计算机一样，

12、很多行业的人都需要这种技术来进行他们的各自研究和部署，这就导致需求是各式各样的。能够定制的人机交互图形化用户界面会很方便大家的使用，例如：做建筑监测的就需要GUI在采集到数据后还能够方便的进行信号处理、频潜转换了和小波变换等；做白控的就需要类似集散控制系统的，不但有数据采集，还可以看出节点分布等等。目前，此类工具中最具代表性的是Crossbow公司的MoteView，但其最大缺点就是扩展性差。无线传感器网络在农业中的应用有很多，本章就以温室环境应用为例，介绍了无线传感器网络技术应用于温室环境监测系统的总体设计方案，可以解决目前远程监控中存在的成本、数量、通信方面存在的诸多问题，实现了远程监测农

13、作物生长的环境信息。温室大棚无线传感器网络监测系统的应用的目的是实现温室环境温湿度信息采集自动部署、自组织传输和智能控制。根据温室生产的特点，构建无线传感器网络应用系统时，从用户角度考虑，系统需要具有如下功能：1)需要满足常规数据采集系统的要求，应具有及时、准确等功能，方便用户实时查询获知温室内的农作物生长环境；2)无线传感器节点适应露天环境长期工作：3)扩展性好：由于农作物环境各不相同，所以远程监控网络监测的环境参数也各不相同，传感器的类型也需根据实际需要而定，因此节点的传感器接口需灵活设定：4)软件多样化、人性化：功能设计上，既考虑信号的采集、监控，又要考虑信息管理、综合分析，因此需要多样

14、化的软件以适应系统的需求。同时，软件要界面美观、易于使用：5)具有报警、控制功能：当某个参数超过该设定值时，发出警报通知管理员和用户，从而采取相应措施。3、进度安排1-3周 完成开题报告以及任务书；4-6周 完成英译汉，字数不少于5000字；7-10周 对所选题目进行研究分析，着手进行系统硬件和软件设计；11周 进行中期检查；12-13周 完成整体电路调试并完成论文初稿的撰写；14-15周 完成论文撰写并准备论文答辩。4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 摘 要 IAbstract II1 绪论 11.1 课题的背景、目的与意义 11.2 国内外研究现状 11.2.1 无线传感器网络技

15、术研究现状 11.2.2 温室测控系统研究现状 31.3 本课题研究主要内容及论文组织结构 31.3.1 本文主要研究内容 41.3.2 本论文的组织结构 42 温室温湿度监测系统设计方案 52.1 系统设计目标及技术指标 52.1.1 系统功能特点 52.1.2 技术指标 52.1.3 节点硬件平台和软件系统 52.2 系统体系结构 62.3 方案描述及工作流程 73 传感器节点的硬件及软件系统 83.1 硬件总体结构 83.2 主要元器件 93.2.1 处理器ATMEGA 128L 93.2.2 无线芯片CC2420 103.2.3 传感器模块 113.2.4 电源管理模块 123.4 T

16、inyOS操作系统概述 133.4.1 TinyOS体系结构 133.4.2 NesC语言 134 温湿度监测软件系统设计及实验测试 154.1 软件开发环境介绍 154.1.1 LabVlEW简介 154.1.2 MoteWorks软件平台 1542 系统软件组成 1643 软件开发关键技术 174.3.1 数据格式 174.3.2 连接中间件Xserve 174.3.3 数据的解析和转换 184.3.4 程序流程图和后面板程序 204.4 软件界面及功能介绍 2245 实验测试 235 总结与展望 255.1 主要成果与结论 255.2 本论文不足及进一步研究方向 255.3 前景展望 2

17、5参考文献 26致谢 28摘 要在现代化大型温室中，实现测控系统的无线化和网络化是目前该领域研究的重要课题之一。为了解决温室测控系统中存在的有线布网、人工测量等问题，将无线传感器网络技术应用到温室温湿度测控系统中，实现现代化温室的网络信息化管理，对提升温室等设施农业生产水平具有重要意义。论文首先论述了温室无线传感器网络应用系统的研究方案，给出了系统的软硬件平台设计要求。在此基础上，主要研究了以低功耗处理器ATmegal28L、无线芯片CC2420和温湿度传感器SHTl5为核心的传感器节点的硬件设计和TinyOS操作系统的移植问题。为了实时获取无线传感器网络数据，介绍了在LabVIEW下开发无线

18、传感器网络后台管理软件的方法。该软件通过连接中间件XServe提供的标准通用数据接151，读取XML Socket来获取实时的无线传感器网络数据。从而实现终端监控系统的可视化显示，方便用户的管理。关键词：无线传感器网络；温室；温湿度；数据融合；LabVIEWAbstractIn modem large-sized greenhouse，one of the key research subjects is to rise wirelessmeasurement networkAdopting wireless sensor network technology,the greenhousemo

19、nitoring system can solves some problems existing in cable network and manualmeasurement，realizes network information automatic management，and improve the level offacility agricultural productionFirstly,according to the design requirements of hardware and software system，thisdissertation discusses t

20、he research scheme of greenhouses monitoring system based onwireless sensor networkOn this basis，the research focuses on the hardware design of thenode system which takes temperature and humidity sensor,AVR ATmega l 28 L and CC2400 asthe components，and the transplantation of TinyOS operating systemi

21、n order to obtain the realtime data by wireless sensor network，a method basedon middleware is introduced for monitoring software of wireless sensor network in LabVIEWThe software reads XM L socket to obtain wireless sensor network data that through standardgeneral interface provided by middlewareCon

22、sequently,the system visual management canbe convenient realizedKeywords：Wireless sensor networks；Greenhouse；Temperature and Humidity；Date fusion；LabVIEW1 绪论1.1 课题的背景、目的与意义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每年以新增100150公顷的面积快速发展。引导温室用户根据作物的要求进行环境因子的调节以获得作物产量和品质的提高，是温室环境因子调控决策支持系统的主要目标和方向1。然而，目前的温室测控系统大多采用有

23、线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这不仅大大增加了电气工程施工费用，也导致施肥等工作困难；此外，系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力，维护工作量大，也不利于系统升级。因此，为了实现温室农作物的优质、高产和高效，开发和研制一种新型的温室环境测控系统是十分必要的2。无线传感器网络技术是现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科的综合。把无线传感器刚络技术引入到温室大棚生产中来，农业将有可能逐渐地从以人力为中心，依赖于孤立的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式3。从而实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制、大幅度提

24、高单位面积的劳动生产率和资源产出率、改善温室等设施内工作环境和工作条件、提高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，对实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义4。本课题基于无线传感器网络技术，研究温室环境中温湿度智能监测系统的相关技术，为实现温室无线传感器网络监测系统奠定良好基础。1.2 国内外研究现状1.2.1 无线传感器网络技术研究现状无线传感器网络是将无线通信技术、传感器技术和网络技术相结合构成的能够根据环境自主完成指定任务的智能自治测控网络系统。因其具有随机布设、自组织、环境适应等特点，非常适合应用于布线、电源供给困难的区域、人员不易到达的区域，已广泛应用

25、于国防军事、工农业生产、环境科学、交通管理、灾害监测等领域。从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，美国等发达国家在无线传感器网络领域方面有了较深入的研究。2003年，在美国自然科学基金委员会的支持下，制定了无线传感器网络的研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，展开“嵌入式智能传感器”的研究项目与此同时加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、斯坦福大学等研究机构开始了无线传感器网络的理论与关键技术的研究5。斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感器资源管理的对偶空问方法以及由无线网连接传感器和控制器构成的闭坏控制系统的框架；麻省理工学院丌始研

26、究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题。美国国防部及各军事部门都对无线传感器网络高度重视，将其视为一个重要的研究领域，并设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国Intel公司、Microsoft公司等信息业巨头也丌始了无线传感器网络方面的研究工作。在Intel资助下，康奈尔大学启动了COUGAR项目，提出“网络就是数据库”，着力于把分布式查询技术应用于感知数据查询。2004年12月ZigBee联盟制定出了ZigBeel.0标准，该标准是基于IEEE802.15.4的短距离、低功耗、低成本的远程监控、传感及控制的无线标准，提供了网络、安全和应用支持服务

27、，极大地促进了无线传感器网络技术的快速发展。620022005年，乔治工学院在NSF资助下，进行了SensoNet项目，研究适合无线传感器网络的通信协议、MAC协议、时问同步、拓扑控制和时空相关分析等。日本、德国、英国、意大利等科技发达国家同样对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，近年来也纷纷展丌了相关领域的研究工作。克尔斯公司是从事无线传感器网络产业化中最著名的公司，主要针对航空电子、交通运输、无人探测、环境监控、测控测量等具体应用定制相应无线传感器网络节点和应用方案，截止2008年，该公司已经生产了Mica2、Micaz、IMote2等一系列典型的商业化传感器节点国内有关无线传感器网络的研究

28、也很快跟进，清华大学、西北工业大学、国防科技大学、中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所等单位从2002年起开展了无线传感器网络的相关研究。从2003年起，国家自然科学基会设立了20个与传感器网络关键技术相关的研究项目和重点项目，并带来了传感器网络技术研究的热潮。2004年底，国家发改委开始关注传感器网络的发展，并从2005年开始将传感器网络纳入下一代互联网络试验与应用示范项目中，一方面推进传感器网络本身的技术发展，另一方面直接支持传感器网络与IPv6网络融合的路由等相关技术，有包括中科院计算所在内的数家单位获得了本项目的支持。52006年初，国务院发布“国家中长期科学和技术发展规划纠要”，将传

29、感器网络及其智能信息处理技术作为信息产业及现代服务业领域中的优先发展课题之一。截止2008年，中科院上海微系统己经通过系统继承的方式完成了终端节点和基站的开发，研制成功各种适合不同使用环境的无线监控网络心；中科院沈阳自动化所提出具有自主知识产权的工业无线网络WIA技术体系，并开发出工业无线网络WIA系列产品；浙江大学现代控制工程研究研究所成立了“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拓引。在市场上推广应用比较多的是ZigBee模块，北京Helicom公司、深圳金图旭昂公司、成都无线龙公司和中科院计算所宁波分所都有相关产品，对

30、无线传感器网络的研究推广做出一定的贡献。但整体从研究的深度和投入的力量来说，国内的水平相对落后，从问题的点上研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少，这和我国无线传感器网络飞速发展的市场需求不相称，因此有很多工作要做7。1.2.2 温室测控系统研究现状世界上温室生产最发达的国家是荷兰，其温室以大型玻璃温室为主体，现有大型连栋玻璃温室面积1.1 m2，约占世界玻璃温室的14，居世界之首。此外，其他国家也广泛地把现代化温室技术运用到作物的种植中。英国的智能温室系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制与管理在温室中的成功应用。美国开发的计算机控制与管理系统可以根据温室作物的

31、特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产。温室环境测控技术在许多发达国家如荷兰、美国、以色列等已相当先进，能够达到对多因素综合控制的水平，但其价格昂贵，维护不方便，以荷兰为代表的欧美国家温室测控系统开始向网络化、无线化方向发展。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园，用于测量葡萄园中环境的细微变化。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡萄

32、可以健康生长，进而获得大丰收。国内有关温室环境监控方面的研究起步较晚。温室环境测控设备大都是随着大型现代化温室一同引进的，由于规模大，能耗大，造价高，己被实践证明不适宜于我国的国情，更谈不上经济效益。随后出现了一些团外的仿造产品，造价仍较高，且处于实验阶段，故推广使用价值不大。近几年来，我国在温室结构和温室控制两方面开展了不少研究。“九五”、“十五”及“863”计划都对此给予了很大资助8。北京农业大学研制成功型实验温室环境监控计算机管理系统；吉林工业大学研制成功用于温室的智能喷水控制器，能够根据温室内的温度、湿度和光照度来自动调节喷水量：中国农业机械化科学研究院研制成功新型智能温室，由大棚本体、通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉