多传感器的环境信息无线监测网络设计
2012年第8期
仪表技术与传感器
Instrument
Technique
and
Sensor 2012No.8
基金项目：国家自然科学基金项目（31101081）
收稿日期：2011－08－22收修改稿日期：2012－03－14
多传感器的环境信息无线监测网络设计
杜江洪
1，2
（1．南昌陆军学院，江西南昌330103；2．华东交通大学信息工程学院，江西南昌330013）
摘要：针对环境信息有线监测存在的问题，设计并制作3个传感节点和1个协调器的多传感器环境信息无线监测网络。提出并编写了1个地址匹配和导引码识别相结合的应用层通信协议，使传感节点与协调器形成1个简单稳定的星形拓扑网络。采用VB 和数据库开发了1个具有数据显示、存储查询和控制功能的上位机监测软件，实现了良好的人机交互。经过测试，
多传感器环境信息无线监测网络可以在大区域内和复杂环境下稳定、准确地监测环境中的温湿度和光照强度，并可将结果实时显示在上位机监控界面上，实现远程监测。系统可应用于气象环保、煤矿工业、精准农业等领域，具有一定的实用价值和良好的市场前景。
关键词：环境信息；无线监测网络；传感节点；协调器中图分类号：TP273
文献标识码：A
文章编号：1002－1841（2012）08－0066－03
Wireless Monitoring Network Design for
Multi-sensor Environmental Information Collection
DU Jiang-hong 1，
2
（1．Nanchang Military Academy ，Nanchang 330103，China ；
2．School of Information Engineering ，East China Jiaotong University ，Nanchang 330013，China ）
Abstract ：A wireless monitoring network of three sensor nodes and a coordinator was developed for multi-sensor environmental information collection ，aimed at boosting the problem of wire communication monitoring for environmental information collection．This paper presented and developed the address matches and direct identification code of combining the communication protocol ，made a sensor node and coordinator form a simple and stable star topology network．To realize remote monitoring system ，it used VB and database develop to a data display ，storage inquires the PC monitoring and control software ，to achieve the good human-machine interaction function．After testing ，the system can be in large area and complex environment stable and accurate monitoring of envi-ronmental temperature and humidity and light intensity．The results show that it can realized in the real-time monitoring interface．This system can be widely used in environmental protection ，the coal industry and the precision agriculture and other fields ，and has certain practical values and good market prospect．
Key words ：environmental information ；wireless monitoring network ；sensor nodes ；coordinator 0引言
温度、湿度和光照强度等环境信息是影响工农业生产的关键因素，
如煤炭中的温度参数，温室栽培、大棚蔬菜中的温度、湿度和光照强度等参数。因此，实时、有效监测环境参数对工农业生产非常重要，也是实施精细农业的关键技术之一［1－2］
。为满足环境参数信息监测周期长的需求，研究人员结合不同的
应用场合，设计了多种环境信息监测系统。
文献［3］设计了一种温湿度测量系统，该系统由单片机测量系统和计算机数据管理系统组成，可以对现场的温度、湿度进行实时采集。该系统采用单个节点监测环境参数，监测距离有限。文献［4］针对无线传感器网络实时监测和突发事件处理的应用需求，设计了无线传感器网络节点。文献［5］介绍了一个以单片机（AT89C51）为核心基于nRF905的具有无线通信功能的智能温室多参数监测系统设计。该系统点对点的无线通
信方式，数据传输速度可达100bit /s ，可靠性高，功能易扩展，但监测区域有限。
针对传统的环境信息监测系统在监测点分散，分布范围广，监测点所处环境恶劣等等缺点
［6－7］
，设计了基于nRF905的
无线监测网络。系统中，传感节点可以广泛地分布在不同地区，灵活改变监测布局，能够实现对被测量对象多参数（多传感器）连续监测，并将监测数据快速准确地发送到监控中心。1
环境信息监测网络及工作原理
环境信息监测网络可以实时稳定地监测当前区域的环境参数。监测网络包括多个传感节点和1个协调器，如图1所示。传感节点包括1个处理器、
1个传感器采集模块、1个无线射频单元和1个数据显示单元，协调器则包括1个处理器、1个无线射频模块、
1个数据显示及按键模块、1个报警模块等。传感节点中的处理器控制多个传感器采集环境的温度、湿度、光照强度等信息。数据显示模块作为人机交互的关键部分，用于显示采集的环境参数，可视不同的需求采用液晶（LCD ）显示或传到PC 机上显示。数据传输模块视具体要求设
第8期杜江洪：多传感器的环境信息无线监测网络设计67
置，如果采集的数据在现场显示，则不需要这个模块。如果需要远程监测，则需要将现场监测的数据经过无线的方式传输到用户端显示，当监测区域较大时，可采用多跳的方式传输数据的自组织网络系统
。
图1监测系统整体框图
2环境信息监测系统硬件设计
系统硬件包括3个传感节点和1个协调器，采用模块化电
路设计，便于系统扩展。传感节点以AT89S52最小系统为核心，
主要包括SHT10环境温湿度采集接口电路、PT5A550光照强度采集接口电路、
LCD1602液晶数据显示接口电路以及nRF905无线射频数据传送接口电路。协调器以AT89S52最小系统为核心，
包括nRF905无线射频数据发送接口电路、液晶数据显示接口电路、独立键盘接口电路、串口通信模块。文中简要介绍温湿度数据采集、光照强度采集以及无线发射接口电路设计。2.1
温湿度传感器SHT10接口电路设计
SHT10温湿度传感器的供电电压范围为2.4 5.5V ，为保证SHT10传感器的最高精度和其他电路的可靠连接，供电电压采用3.3V．为了增加采集信号的稳定性，在电路设计过程中，电源引脚（VDD 、GND ）之间加一个100nF 的电容，用于去耦滤波。另外，为避免信号冲突，需要一个外部的上拉电阻（1 10k Ω）将信号DATA 提拉至高电平。基于SHT10的温湿度采集接口电路如图2所示。P1和P2是2个排针，用于SHT10模块与底板的接口连接，另外在SHT10模块上添加了1个工作指示灯DS ，便于直观的观测到SHT10传感器的电源是否正常
。
图2
温湿度传感器SHT10接口电路
2.2光照接口电路设计
由于光敏传感器PT5A550在不同的光强下其亮电流是不
同的，
在电压不变的情况下，对应的电阻值会改变，基于这种机理设计了PT5A550光敏传感器接口电路，如图3所示。由电路可知，DS1（PT5A550）和R 6（10k Ω）电阻进行分压，根据R 6上的不同电压得到不同的电流，然后查表得到当前时刻的光强。由于单片机只能处理数字信号，而分压电路得到的是模拟量电压，采用ADC0804转换模拟电压，获得光照强度的数字量
。
图3
PT5A550光敏传感器接口电路
2.3
无线射频通信单元硬件设计
nRF905可以自动完成处理字头和CRC （循环冗余码校验）
的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以－10dBm 的输出功率发射时，电流只有11mA ，在接收模式时电流为12.5mA．nRF905单片无线收发器由1个完全集成的频率调制器、
1个带解调器的接收器、1个功率放大器、1个晶体震荡器和1个调节器组成。ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码和CRC ，可以很容易通过SPI 接口进行编程配置。
考虑nRF905的VCC 电源供电在3 3.4V ，整个监测网络采用5V 的USB 电源供电，因此需要1个电源转换模块。采用AM1117－3．3电压转换芯片，将5V 的电源转为3.3V 的电源给nRF905供电。根据nRF905的管脚号及其功能，设计nRF905无线射频模块的接口电路，如图4所示
。
图4nRF905无线射频模块接口电路
3环境信息监测网络软件设计
系统的软件设计包括两部分：硬件驱动程序的设计；监控
软件的设计。硬件驱动程序的设计包括3个部分：传感节点的硬件驱动程序设计、协调器的硬件驱动程序设计、协调器与各传感节点的通信协议设计。对于传感节点，分别编写了sht10．c 、light_ad．c 、lcd1602．c 、nrf905．c 文件驱动温湿度传感器SHT10
采集空气温湿度、驱动PT5A550光敏传感器采集光照强度、驱动LCD1602实时显示采集的数据、驱动nRF905传送数据。对于协调器，编写了lcd12864．c 、
uart _serial．c 文件分别驱动
68Instrument Technique and Sensor Aug.2012
LCD12864显示数据及串口通信。监控软件采用VB 技术和数据库技术，开发了1个数据显示、存储查询和按钮控制的上位机监测界面，实现人机交互。3.1
SHT10采集温湿度软件设计
SHT10是数字型温湿度传感器，单片机IO 口可以直接接收其输出信号。单片机通过SHT10的SCK 线和DATA 线控制其内部的状态寄存器，从而控制SHT10采集温度和湿度数据并传送给单片机。SHT10的驱动软件设计流程图如图5所示
。
图5
SHT10的软件设计流程图
3.2nRF905无线射频模块数据传输软件设计
利用nRF905无线射频模块进行无线数据传输，主要通过
使能nRF905的各个控制引脚以及通过MOSI 和MISO 管脚对nRF905里面的寄存器进行配置，控制发射/接收缓冲寄存器的长度、发射功率、发射/接收地址等。nRF905的驱动软件设计流程图如图6所示
。
图6NRF905的软件设计流程图
3.3应用层通信协议架构
由于多个传感节点与协调器之间需要组成1个拓扑网络
以实现大面积的监测，设计编写了1个地址匹配加导引码识别的应用层通信协议。协调器采用地址轮询的方式与多个传感节点形成网络。协调器接收按键或串口指令后，首先与传感节点1通信，然后与传感节点2通信，最后与传感节点n 通信，循环至接收终止信号。通信协议流程如下：
（1）给每个传感节点分配不同的接收地址和同一个发射地址；给协调器分配n 个发射地址和1个接收地址，这个接收地址对应传感节点的发射地址。
（2）传感节点和协调器初始都处于接收状态；通过按键或从监控软件发送指令，则给协调器配备1个发射地址，该地址对应1个传感节点，然后使协调器处于发射模式，发射地址、数据打包后经天线发射出去，数据发射完后，协调器又处于接收状态。
（3）传感节点的天线接收协调器发来的数据，但只有地址匹配成功，
nRF905芯片才会接收数据并传输给处理器；传感节点地址匹配成功后，传感节点需再一次判断数据是否误码，如正确接收则使能传感节点将上一次采集的温湿度等数据送往nRF905，并使其处于发射模式，将数据发射出去，数据发送完又转入接收模式。
协议数据包格式为
字头
目的地址
导引码
数据
CRC 校验码
协调器应用层的指令功能为：
按下按键1或收到串口指令0x01，协调器与节点1通信10
s ；按下按键2或收到串口指令0x02，协调器与节点2通信10s ；按下按键3或收到串口指令0x03，协调器与节点3通信10s ；按下按键4或收到串口指令0x014，协调器则首先与传感节点1通信8s ，接着与传感节点2通信8s ，又接着与传感节点3通信8s ，如此循环直到按键1或2或3按下2s 或复位。4
环境信息监测网络测试结果及分析
系统调试采用先分模块调试后整体调试的方法。传感节点调试：首先对SHT10和PT5A550进行调试，并通过显示在LCD1602上的数据来判断采集的数据正确与否，最后对nRF905进行调试。协调器模块调试：首先调试LCD1864数据显示，其次调试串口通信，最后调试协调器与传感节点之间的数据传输。
为了验证上述方案的可行性，设计并制作图1所示的多传感器环境信息无线监测网络硬件原型，文中原型包括3个传感器节点和1个协调器。传感器节点采集的环境参数以上述的通信协议向协调器发送，协调器接收的数据通过串口传输给PC 机。图7为系统监控软件显示传感器节点采集的环境参数结果。
经过调试和测试，系统可以实现以下功能；传感节点可以实时采集3路环境信息并通过LCD1602显示；协调器采用地址轮询的方式与3个传感节点形成星形监测网络；无线射频模块
最大通信距离可以达到100m 并具有两层楼的穿透能力；监控软件可以实时显示、存储和查询数据；界面按钮和协调器按键都可以控制整个系统协调工作。
（下转第77页）
第8期赵呈锐等：基于侧发光光纤对射耦合的光纤式液位测量
77
图8
传感器输出电压－液位响应曲线
该电压变化曲线与理论分析不符，其主要原因如图9所示，由于光纤末端面对传导光的漫反射，增强了光纤末端10cm 内的侧发光光功率，从而导致耦合光功率变化随之增大；而该漫反射光沿着光纤向上传播10cm 后渐渐消失，传感器的响应也恢复正常。传感器响应曲线的陡坡给测量带来了一定的影响，限制了传感器的放大倍数，从而影响了测量灵敏度。消除该影响，可通过将测量光纤末端打磨光滑，并涂以光吸收涂层，以消除或减小端面漫反射光
。
图9
光纤侧面发光分布
传感器在0.1 1m 区间内的输出曲线存在一些波折，这是由于传感器的加工误差造成的。由于传感器长达1m ，因此光纤固定片分为10段加工。由于加工存在误差，
2个固定片之间存在缝隙，此外有些固定片在加工中存在弯曲现象，这些都影响了光耦合效率，从而给传感器的标定带来影响。可通过取消固定片，用粘胶将光纤固定在结构中来解决该问题。5
结束语
文中提出了一种新型光纤式液位测量方法，通过光路分析得到了该测量方法的理论输出，设计了原理样机并实现了对0.1 1m 区间内液位的线性测量。该方法尚无法达到电容式传感器等传统油位测量方法的灵敏度与精度，但可通过对测量光纤末端进行处理，以及对光纤埋设方式进行重新设计来改善传感器性能。该测量方法可用于汽车、飞机、轮船等交通工具的燃油液位测量，具有良好的应用前景。参考文献：
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作者简介：赵呈锐（1984—），博士研究生，主要研究领域：光纤传感器。
E-mail ：hustzcr@gmail．com
（上接第68页
）
图7多传感器监测网络系统测试结果
系统可应用于气象环保、煤矿工业、精准农业等领域，具有
一定的实用价值和良好的市场前景。
参考文献：
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农业工程学报，2003，19（4）：7－10．［2］张瑞瑞，赵春江，陈立平，等．农田信息采集无线传感器网络节点
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mail ：lyy．78@163．com
智能家居系统中无线传感器网络的设计
智能家居系统中无线传感器网络的设计 智能家居系统中无线传感器网络的设计 随着时代的发展，人们将更多的注意力放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上，从而 出现了智能家居的概念。智能家居控制系统使人们可以对家居内的任意电器进行数字化控制，利用计算机技术、网络通讯技术将与家居生活有关的各种设备有机地结合在一起，进行集中管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。本文以ZigBee技术对智能家居内部进行无线网络组网，通 过ZigBee无线传感器网络节点的设计，实现节点对各种传感器信息的采集、传输和控制功能。1Zigbee技术ZigBee技术是一种强调极低耗电、极低成本的短距离无线网络技术，遵循IEEE802．15.4标准。它专注于低速率传输控制，网络容量大，时延短，提供数据完整性检查， 加密算法采用AES-128，网络扩充性强，有效覆盖范围为10～75m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭环境，通信频率采用2．4GHz 免执照频段。ZigBee是一组基于IEEE802．15．4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE802.15.4仅定义了MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟则对其网络层和应用层进行了标准化。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。2系统结构设计无线传感器网络系统主要由传感器、CC2430无线模块构成，结构图。 无线传感器网络采用树状结构，网络中有一个协调器，负责整个网络中数据的处理、转发以及网络的管理。终端节点(传感器节点)上电复位后，会搜索协调器节点，当能够搜索到协调器时，直接申请加入网络。当终端节点搜索不到协调器时，这时就会通过路由器节点找到协调器来加入网络。加入网络后保持待机状态，当有数据需要发送时，按照组网时的路径来收发数据信息。协调器通过串口与PC机相连，利用超级终端实现发送命令或者显示数据。3硬件电路设计本文设计的无线传感器网络系统的硬件结构主要由协调器模块，路由器模块，传感器模块，串口转换模块，供电模块以及PC机等组成。其中协调器、路由器、传感器3个模块作为主要的无线通信模块，由主控芯片CC2430作为数据处理以及无线收发器。其系统硬件电路结构示意图。3．1主控芯片选用CC2430芯片作为无线收发器和数据处理及控制器。CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器。它采用增强型8051MCU、32／64／128kB 闪存、8kBSRAM等高性能模块，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器。32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I／O引脚。3．2无线模块设计1)协调器模块协调器节点由电压转换模块、按键模块、LCD模块、LED指示灯、时钟、处理器CC2430、天线等部分组成。CC2430的工作电压为3～3．3V，所以要用电压转换模块把电压从5V降低到3．3V左右；LED指示灯用来显示协调器节点网络状态信息(如是否组网成功)；LCD模块是用户和传感器网络的交互界面，用来显示功最长能菜单，用户通过按键来选择功能菜单。其电路图。 2)传感器模块与路由器模块传感器模块亦即是终端节点模块，由传感器、处理器CC2430、天线、LED指示灯、时钟等部分组成。LED指示灯由P1．0、P1．1口控制。传感器模块就是在协调器模块的基础上去掉了LCD，而加入了传感器。传感器选用了DHT11温湿度传感器，与P0．0口相连，来负责数据采集。路由器模块与传感器模块的硬件电路相同，只是在编程实现功能上有所不同。4无线网络系统软件设计在ZigBee网络中，只有那些可以成为ZigBee协调器的设备才能建立新网络。协调器首先执行信道扫描，如果发现了一个合适的
无线环境监测系统设计
唐山师范学院本科毕业论文 题目无线环境监测系统的设计 学生 22222 指导教师姜丽飞讲师 年级 2008级 专业电子信息科学与技术 系别物理系 唐山师范学院物理系 2012年5月
郑重声明 本人的毕业论文（设计）是在指导教师姜丽飞的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。 毕业论文（设计）作者（签名）： 年月日
目录 标题 (1) 中文摘要 (1) 1 引言 (1) 2 系统硬件设计 (1) 2.1 设计目标 (1) 2.2 方案选择 (1) 2.3 系统结构 (2) 2.4 电路设计 (3) 3 系统软件设计 (6) 3.1 通信协议 (6) 3.2 系统软件 (7) 4 系统性能测试方法及测试结果 (7) 4.1 温度测量 (7) 4.2 光照测试...................................... (7) 4.3 主机与各从机通信距离及响应时间测试 (8) 5 结束语........................................... . (8) 参考文献................................. . (9) 致谢....................................... ...... .. (10) 附录.................................................................................................... (11) 外文页........................................... .. (12)
无线传感器网络系统的设计思路
无线传感器网络系统的设计思路 一、无线传感器网络技术应用广泛，百花齐放 无线传感器和传感器网络，是具有非常广泛的市场前景，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响的新技术。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。 无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，在工业、农业、军事、环境、医疗，数字家庭，绿色节能，智慧交通等传统和新兴领域有具有巨大的运用价值，无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。图一是无线传感器应用示意。 由于无线传感器和无线传感器网络巨大的市场和应用前景，所以目前全世界许多公司都推出了各自的无线传感器网络。这些技术百花齐放，各有千秋，但是这些技术之间，几乎不能相互兼容和互通。 目前正在开发中的各种无线传感器技术，从这个图我们可以看到，不同的无线传感器网络，最终都是希望实现和互联网的通讯，这可能是这些传感器网络最终交汇的通道。 二、如何选择合适的无线传感器技术 无线传感器网络系统的基本架构包括三部分，第一部分是无线收发芯片，其职责是将数字信息转换为高频无线信号传送出去和将接收到的高频无线信号恢复成数字信息。无线传感器收发芯片而言，IEEE 802.15.4能为无线传感器应用提供最佳方案，这是因为IEEE 802.15.4规范可能是主要且可能唯一的实用标准。目前全球有多家公司提供这方面的收发芯片。像TI 公司的CC2420/CC2520等芯片都特别适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性。 实现一个典型的无线传感器网络节点和路由器，可以采用多芯片方案，，由一个无线收发芯片和一个微控制器(单片机)组成，微处理器可以采用低功耗的MSP430，无线芯片可以采用CC2520/CC2420等。 随着技术不断发展，已经有越来越多的公司，将无线收发器芯片和微控制器和无线收发器做成了一个片上系统(SoC)，例如TI公司采用8051内核的CC2430/CC2431等ZigBee无线单片机，随着无线传感器网络对计算能力提高要求，最近Freescale公司也推出了ARM内核的32位ZigBee无线单片机。使用这些SoC无线单片机设计无线传感器网络，将使无线传感器节点具有更小的体积，更低的功耗和更低的价格；TI公司在国内的技术合作伙伴无线龙科技公司等，也同时提供这些芯片，开发工具的相关技术支持。 无线传感器网络构架第二部分是运行于单片机或者无线单片机内部的嵌入式软件，也称软件协议栈(network stack)，网络堆栈有两个职责。首先它必须要处理节点间的无线链接通信质量的频繁变化和环境因数对无线通讯造成的干扰，具有对网络自组织，自恢复的能力；网络堆栈的第二个职能是要具有很强的路由算法能力，确保信息可靠高效地通过各种网络拓扑(星状/网状等等)从源节点(如果现有，可以通过成百上千路由节点)发送到目标节点。确保通讯的实时性要求。 ZigBee联盟是由众多技术供应商和开发商组成的独立标准组织。也是目前世界是最大的，基于IEEE 802.15.4平台的网络软件协议栈标准提供联盟。 该组织从ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不断发展，目前提供的两个网络栈是：ZigBee和ZigBee PRO。从使用角度看ZigBee堆栈很适合一般包含十到几百个节点的小型网络。而ZigBee PRO是ZigBee超集，它增加了一些功能，可对网络进行扩展并更好地应对来自其他技术的无线干扰，而且可以适应更大型的网络和具有更加可靠的路由通讯算法和无线通讯可靠性。 无线传感器网络构架第三部分应用软件，这部分包括各种根据用户现有开发的软件代码，
基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现
南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101
南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动
Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers
无线环境监测模拟装置
无线环境监测模拟装置无线环境监测模拟装置 全国一等奖全国一等奖 电子科技大学电子科技大学 王康王康王康 胡航宇胡航宇 耿东晛耿东晛 摘要摘要 本作品以MSP430单片机为核心， 利用数字温度传感器以及光敏电阻采集温度和光照信息；通过ASK 调制和调谐式解调（Tone Decoder）进行数据通讯，并采用CSMA 方式解决了多个节点公用同一信道的问题；采用存储转发机制以及对被转发的数据包赋予生命周期的方法，实现了自动转发功能以及对新节点加入和离开的自动识别。探测节点全部采用通用器件，以60mW 左右的平均功耗实现了节点间0.7m 以及转发方式下1.4m 的通讯距离，在达到指标要求的前提下降低了功耗和成本。 关键词：ASK 调制，Tone Decoder， CSMA，存储转发； 一、 方案论证与比较 1.1调制方案选择调制方案选择：： 方案1：采用FSK 调制，优点是具有较强的抗干扰能力。缺点是解调部分的硬 件较为复杂。 方案2：采用ASK 调制，优点是调制和解调的电路都相对简单，缺点是抗干扰 能力较差。通过在干扰较小的频段选择合适的载频，并通过窄带滤波能够消除大部分干扰，所以本作品选择了ASK 调制方式。 1.2解调方案选择解调方案选择：： 方案1：对ASK 信号放大与窄带滤波后，进行包络检波，再通过门限判决的方 法解调。该方案的成本低，缺点是抗干扰能力很差，窄带滤波器容易偏频，难以调试。 方案2：对ASK 信号放大后，采用调谐式解调器（Tone-Decoder）进行解调， 解调器本身是个窄带锁相环，能够省去窄带滤波器，且本身抗干扰能力较强；本作品中采用该方案。 1.3多点通讯方案选择多点通讯方案选择：： 多个节点间共用了同一个通信信道，因此在主机以及多节点之间涉及到信道复用问题。我们对比了以下方案： 方案1：采用时间分隔机制的信道复用，如主-从式的轮询点名或令牌环网络。 考虑到数据转发功能的实现必然要有多台主机，主-从式网络只允许一台主机显然不合适，而令牌环网络在节点随机离开后也会出现令牌无法传递的问题。并且，当节点编号未知时，依次搜索255个节点耗时很长。 方案2：基于碰撞侦测机制的信道复用，如A LOH A 、CSMA 等方式。优点是网络 中每个节点都可以作为主机，随时可以主动发送数据到任何其他节点。缺点是数据包可能因随机碰撞而丢失，且通讯延迟不可预计。但题目中要求5秒较为宽裕，而被传输的信息都是缓变量，允许进行多次重发。其中CSMA 方式在发送前进行载波侦听，不会出现A LOH A 在信道拥挤时将信道完全阻塞的现象，所以选择了CSMA 方式进行信道复用。 系统整体框图如图1，每个节点都采用低功耗的MSP430单片机对环境参数
无线传感器网络课程设计报告
无线传感器网络 课程设计报告 （2018-2019学年第一学期） 题目安全的无线传感器网络数据传输系统的设计指导老师 班级
目录1需求分析 2传感器网络概述 2.1传感器网络体系结构 2.2传感器网络协议栈 3数据传输方式 4设计 4.1主要数据结构 4.2 课程设计的条件 5测试 6使用说明 6.1应用程序功能的详细说明 6.2应用程序运行环境要求 6.3输入数据类型、格式和内容限制 6.4各模块程序段说明 7总结提高 7.1课程设计总结 7.2课程设计评价
1 需求分析 1.1 功能与技术需求 随着信息时代的逐渐来临,物联网的建设也越来越完善,为信息的存储和传输提供了完善的路径,而无线传感网是物联网的重要组成部分,它的建设成为物联网建设的关键。无线传感器网络是由大量微型传感器节点以自组织和多跳的方式构成的网络。它具有资源非常受限、无线通信链路质量不稳定和网络拓扑动态变化等诸多显著特点,与现有的互联网和其它无线网络存在较大差别,向可靠数据传输提出新的挑战和要求。在数据传输可靠性保障方面，采用了加密算法保证在传输过程中的安全性。 2 传感器网络概述 2.1传感器网络体系结构 典型的传感器网络结构包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。随即部署在监测区域内的大量传感器节点通过自组织方式构成网络。传感器节点的监测数据沿着其他节点逐跳传输，监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后被路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达管理节点和用户。管理节点对传感器网络进行配置和管理。传感器网络体系结构如图所示
2.2传感器网络协议栈 与互联网协议栈(TCP/IP)的五层相对应，传感器网络协议栈包括:物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。另外协议栈还包括时间同步、节点定位、网络管理、QoS保障、移动管理、任务管理、能量管理和安全机制等。物理层提供信号调制、无线收发和相应的密码服务:数据链路层负责信道接入、拓扑生成、差错控制、介质访何控制、数据成帧以及数据帧监测等;网络层主要负责路由生成，路由选择和拓扑管理等;传输层负责数据流的传输控制，网络的协同工作等:时间同步、节点定位、网络管理、QoS 保障、移动管理、任务管理、能量管理和安全机制等通常跨越多个网络协议栈层次
智能家居环境监测系统设计与实现
智能家居环境监测系统设计与实现 智能家居是指在智能化、自动化、信息化的基础上利用传感器网络等进行数据传输，实现家居电器的智能控制，随着4G网络的快速发展，智能家居的及时出现为人们享受生活提供了一个更好的选择。 一、智能家居环境监测系统总体设计 基于ZigBee无线通信技术构建的室内环境监测系统主要实现室内温度、氧气、一氧化碳、二氧化硫、湿度、甲烷和二氧化碳含量等家居环境的检测，其次是监测生活用水、用电和用气的安全性和用量，三是监测室内各种生活家电的状态等。系统设计中，基于ZigBee的传感器节点将室内环境信息发送到无线传感器网络的汇聚节点，通过ARM微处理器实现嵌入式编程，然手通过ARM微处理器和ZigBee汇聚节点实现有效的网络串行通信。通过该系统，采集室内环境信息、输入操作命令、输出操作结果、集中控制室内环境、远程控制家用电器、联动控制室内安防系统等功能。 二、智能家居环境监测系统详细设计 2.1室内环境信息采集功能 通过部署在室内的传感器节点，实现无线传感器网络的室内环境信息采集，以便能够将室内温度、湿度、氧气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、甲烷及生活用水和生活电气等相关信息传递到系统中。信息采集和感知是室内环境系统最基本的功能，需要将传感器节点进行良好的部署和优化，以便在最小能量耗费下实现节点的全方位覆盖。 2.2 室内环境信息传输功能 传感器节点采集相关的网络信息后，通过4G网络传输到ZigBee汇聚节点，汇聚节点将多个传感器节点信息传输到室内监测系统的服务器，以便服务器进行处理。信息传输过程中，为了实现高效数据传输和分发，需要将数据进行压缩和存储，实现传感器网络的聚簇作用，同时为了降低传感器网络的通信开销、平衡节点间负载，需要对传感器网络节点和传输节点进行设计。 2.3 室内环境信息处理功能 数据传输到服务器后，环境监测装置负责处理采集到的数据信息，发现相关的信息超过用户设置的预警值，则传感器检测装置通过4G通信网络以短信或数据通信的方式通知用户，同时将收集的信息存储到服务器数据库中。逻辑业务处理将数据统计分析和预测结果发送到相关界面，以便用户查看和分析。 三、Zigbee无线传感网络系统硬件设计
智能环境监测系统的设计说明
智能环境监测系统的设计 Design on the intelligent system of monitoring environment
摘要 系统主要由数据采集端和移动监控终端两部分组成。采用16位单片机SPCE061A为处理核心，在数据采集端，利用两片CD4067BE分别挂接16只DHT11温湿度传感器和16只光照强度传感器；采用10位ADC实现对环境声音的实时录制，加入OV7670摄像头进行实时拍照监控，最后把所采集到的数据帧通过NRF905无线传输模块传送到移动监控终端。在移动监控终端，通过NRF905接收数据，将处理后的环境参数数据进行显示，接收到的语音压缩编码通过10位DAC进行解码播放，通过按键切换进入全屏环境参数显示模式或全屏监控照片显示模式，并将接受到的环境参数、声音、照片存储到SD卡中。本文以SPCE061A超低功耗单片机为核心，设计了通用智能终端和智能温湿度传感器，重点介绍了该终端和传感器的任务、硬件、软件以及控制算法的设计与实现。硬件方面，介绍了系统各个部分的设计思想、原理电路以及，并给出了系统总硬件原理图；另外，为了实现系统的低成本和低功耗，在满足设计要求的前提下，尽可能选用了价格低廉和低功耗的元器件。软件方面，采用了时间触发的混合调度器模式设计，对系统各个任务进行了设计，并给出了系统软件低功耗设计方法。 关键词：SPCE061A；多节点；无线传输；HMI Abstract The system is designed for two parts of data acquisition terminal and mobile monitoring terminal. Its processing core is SPCE061A which is a 16 bits mcu. In the data acquisition terminal, 16 DHT11 of single bus temperature, humidity sensor and 16 light intensity sensor are hung on two CD4067BE. The environmental sound is recorded to coding and compression with 10 bits ADC which is built in the mcu at any time. Add OV7670 which is a camera module to monitor at anytime. ALL collected data is transmitted to the mobile monitoring terminal through NRF905 of wireless transmission module. In the mobile monitoring terminal, the data is received through NRF905.The environmental parameter data is displayed after dealing with and the compression coding of speech is decoded to play with 10 bits DAC.We can switch to full-screen environment parameter display mode or full-screen picture display mode with the keys. At last, the environmental parameter, sound and photos are stored to the SD card.Based on the SPCE061A ultra low power microcontroller as the core, a general intelligent terminal and intelligent temperature and
无线发射接收系统设计与实现
无线发射接收系统设计与实现 摘要: 此系统采用了无线发射和接受实现双向的全双工无线通信。通过使用C51单片机实现对系统的数据采集、信号收发进行控制。用硅光片进行对阳光是否照射的采集，DS18B20进行温度信息采集。该系统是一个独立系统，能够在一定范围内进行数据采集并且将数据通过无线传输到数据接收模块。 关键词:无线传输；单片机；数据采集 1 引言 对于环境信息采集是很普遍的，但是将采集的信息如何传输就是关键，传统的系统都是用有线的方法，不仅要铺设线路，而且不方便，可移植性差。随着无线技术的不断发展，无线在各个领域中的应用也不断增加，通过嵌入式系统，用无线的方式实现数据的采集和传输是最好的解决方法，不仅简化了实施的难度，而且成本相对较低。 本文主要是以C51单片机为控制核心，用无线接收发射装置来实现环境数据采集系统。 2 系统目的 设计并制作一个无线环境监测模拟装置，实现对周边温度和光照信息的探测。该装置由1个监测终端和不多于255个探测节点组成(实际制作2个)。监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据功能，收发共用一个天线。 探测节点有编号预置功能，编码预置范围为00000001B～B。探测节点能够探测其环境温度和光照信息。温度测量范围为0℃～100℃，绝对误差小于2℃;光照信息仅要求测量光的有无。探测节点采用三节干电池串联，单电源供电。 监测终端用外接单电源供电。探测节点分布示意图如图1所示。监测终端可以分别与各探测节点直接通信，并能显示当前能够通信的探测节点编号及其探测到的环境温度和光照信息。 每个探测节点增加信息的转发功能，节点转发功能示意图如图2所示。即探测节点B的探测信息，能自动通过探测节点A转发，以增加监测终端与节点B之间的探测距离D+D1。该转发功能应自动识别完成，无需手动设置，且探测节点A、B可以互换位置。
无线传感器网络课程设计
无线传感器网络课程设计 ------远程数据采集系统设计 学生姓名： 指导教师：峰斌 专业：电子信息工程 班级：D0745 学号： 设计时间：2011年1月3日至 2011年1月20日 实验地点：新实验楼524
随着无线网络技术的飞速发展和同益普及，低速、低功耗、低成本的ZigBee 无线网络技术，己成为当前传感器网络及自动化控制领域中的一个重要研究课题。本论文对ZigBee技术进行广泛深入的分析和研究，使用ZigBee协议设计应用程序并结合硬件进行实验，主要研究工作如下： (1)介绍了ZigBee相关概念、应用前景和研究现状、体系结构、优缺点以及网络拓扑、设备类型、ZigBee网络的基本框架、功能、特点等内容。 (2)对ZigBee网络层、应用层及ZigBee应用程序框架结构、功能进行了研究。分析了ZigBee协议栈的总体功能结构，着重讨论网络建立、路由机制、数据帧结构和数据传输模式、数据处理模式以及编程接口，展示了整个系统的应用程序编写过程。 (3)分析了ZigBee设备组成结构及硬件设计思路。在具体介绍JN5121处理器模块、电源模块、时钟模块、存储器模块以及各个接口模块的基础上给出了硬件设计的整体方案及硬件原理图。 (4)讨论了ZigBee网络与因特网的互联及数据交换方式。研究了嵌入式操作的定制及嵌入式数据库的应用。 (5)组建基于ZigBee技术的无线数据采集系统，以JN5121单片机和数字式温湿度传感器SHT10设计出了传感器网络节点，S3C2440控制器作为ZigBee网关。传感器节点通过无线通信方式将数据发送到ZigBee网关。ZigBee网关通过以太网网络将数据传输给监测中心主机，并对实验结果进行分析。 该系统具有良好的人机交互界面和远程访问功能，良好的可移植性和扩展性，可以根据具体要求方便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多功能。 关键词：ZigBee技术，IEEE802.15.4，无线网络，
环境监测信息系统总体设计方案
环境保护信息系统总体设计方案 环境监测信息系统 总体设计方案 - 1 -
目录 环境监测信息系统总体设计方案 -------------------------------------- 错误!未定义书签。 1 引言------------------------------------------------------------------------------------------------ - 5 - 1.1设计思想 -------------------------------------------------------------------------------------5- 1.2设计背景 -------------------------------------------------------------------------------------5- 1.3参考文献 -------------------------------------------------------------------------------------6- 2 系统概述 ----------------------------------------------------------------------------------------- - 6 - 2.1系统设计原则 -------------------------------------------------------------------------------6- 2.2系统目标与运行环境 ---------------------------------------------------------------------7- 2.3需求分析 -------------------------------------------------------------------------------------8- 3 系统总体设计---------------------------------------------------------------------------------- - 10 - 3.1 系统物理结构 ------------------------------------------------------------------------------- - 11 - 3.1.1 系统流程图 -------------------------------------------------------------------------------- - 11 - 3.1.2 技术要求 ---------------------------------------------------------------------------- - 13 - 3.1.3 系统体系结构---------------------------------------------------------------------- - 14 - 3.2子系统功能描述及实现---------------------------------------------------------------- -14- 3.2.1 系统总体结构---------------------------------------------------------------------- - 14 - 3.2.2 子系统结构 ------------------------------------------------------------------------- - 14 - 3.3各子系统功能模块的实现 ------------------------------------------------------------ -21- 3.3.1信息输入模块 ---------------------------------------------------------------------- - 21 - 3.3.2 信息修改模块---------------------------------------------------------------------- - 21 - 3.3.3 信息查询功能---------------------------------------------------------------------- - 21 - 3.3.4 信息分析功能---------------------------------------------------------------------- - 22 - 3.3.5 信息输出功能---------------------------------------------------------------------- - 22 - 3.3.6 其它功能 ---------------------------------------------------------------------------- - 22 - 3.4软件结构图 ----------------------------------------------------------------------------------- - 24 - 3.4.1应用软件的设计思想 -------------------------------------------------------------- - 24 - 3.4.2软件系统总体架构 ---------------------------------------------------------------- - 25 - 4 开发过程--------------------------------------------------------------------------------------- - 26 - 4.1系统开发环境----------------------------------------------------------------------------- -26- 4.2总体进度计划 ----------------------------------------------------------------------------- -26- 4.3经费预算 ----------------------------------------------------------------------------------- -27- 5 软件设计标准 -------------------------------------------------------------------------------- - 27 - 5.1 用户界面-------------------------------------------------------------------------------------- - 27 - 5.2 硬件接口-------------------------------------------------------------------------------------- - 28 -
无线环境监测模拟装置(D题)
无线环境监测模拟装置（D题） 【本科组】 一、任务 设计并制作一个无线环境监测模拟装置，实现对周边温度和光照信息的探测。该装置由1个监测终端和不多于255个探测节点组成（实际制作2个）。监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据功能，收发共用一个天线。 二、要求 1．基本要求 （1）制作2个探测节点。探测节点有编号预置功能，编码预置范围为00000001B～11111111B。探测节点能够探测其环境温度和光照信息。温度测量范围为0℃～100℃，绝对误差小于2℃；光照信息仅要求测量光的有无。探测节点采用两节1.5V干电池串联，单电源供电。 （2）制作1个监测终端，用外接单电源供电。探测节点分布示意图如图1所示。监测终端可以分别与各探测节点直接通信，并能显示当前能够通信的探测节点编号及其探测到的环境温度和光照信息。 （3）无线环境监测模拟装置的探测时延不大于5s，监测终端天线与探测节点天线的距离D不小于10cm。在0～10cm距离内，各探测节点与监测终端应能正常通信。 2．发挥部分 （1）每个探测节点增加信息的转发功能，节点转发功能示意图如图2所示。即探测节点B的探测信息，能自动通过探测节点A转发，以增加监测终端与节点B 之间的探测距离D+D1。该转发功能应自动识别完成，无需手动设置，且探测节点A、B可以互换位置。
（2）在监测终端电源供给功率≤1W，无线环境监测模拟装置探测时延不大于5s 的条件下，使探测距离D+D1达到50cm。 （3）尽量降低各探测节点的功耗，以延长干电池的供电时间。各探测节点应预留干电池供电电流的测试端子。 （4）其他。 2．发挥部分 （1）每个探测节点增加信息的转发功能，节点转发功能示意图如图2所示。即探测节点B的探测信息，能自动通过探测节点A转发，以增加监测终端与节点B 之间的探测距离D+D1。该转发功能应自动识别完成，无需手动设置，且探测节点A、B可以互换位置。 （2）在监测终端电源供给功率≤1W，无线环境监测模拟装置探测时延不大于5s 的条件下，使探测距离D+D1达到50cm。 （3）尽量降低各探测节点的功耗，以延长干电池的供电时间。各探测节点应预留干电池供电电流的测试端子。 （4）其他。 三、说明 1．监测终端和探测节点所用天线为圆形空芯线圈，用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕5圈制成。线圈直径为（3.4±0.3）cm（可用一号电池作骨架）。天线线圈间的介质为空气。无线传输载波频率低于30MHz，调制方式自定。监测终端和探测节点不得使用除规定天线外的其他耦合方式。无线收发电路需自制，不得采用无线收、发成品模块。光照有无的变化，采用遮挡光电传感器的方法实现。 2．发挥部分须在基本要求的探测时延和探测距离达到要求的前提下实现。3．测试各探测节点的功耗采用图2所示的节点分布图，保持距离D+D1=50cm，通过测量探测节点A干电池供电电流来估计功耗。电流测试电路见图3。图中电容C为滤波电容，电流表采用3位半数字万用表直流电流档，读正常工作时的最大显示值。如果D+D1达不到50cm，此项目不进行测试。
无线传感网络技术课程设计报告模板
辽宁工业大学无线传感网络技术课程设计（论文）题目：加速度传感器数据采集系统 院（系）：电子与信息工程学院 专业班级：物联网 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：14-06-23至14-07-11
辽宁工业大学课程设计说明书（论文） 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院教研室：
目录 第1章加速度数据采集系统设计方案 (1) 1.1 引言 (1) 1.2 总体方案论述 (1) 第2章加速度数据采集系统的硬件设计 (2) 2.1 系统所需的硬件 (2) 2.2 硬件系统各部分实现的功能 (4) 2.3系统整体实现的功能简介 (5) 第3章加速度传感器数据采集系统的软件设计 (6) 3.1 系统软件的功能说明 (6) 3.2 系统程序流程图 (6) 3.3 系统主要代码 (7) 第4章课程设计总结 (15) 参考文献 (16)
第1章加速度数据采集系统设计方案 1.1 引言 随着智能化脚步的到来，人们已经发明出了很多用于测量的高智能产品，其中就有加速度传感器，加速度传感器是通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的移动速度，通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。加速度传感器不仅可以测量牵引力产生的加速度，甚至可以用来分析发动机的振动。其应用非常广泛，例如加速度传感器可应用于地震波的检测，车祸报警的应用，还可用于高压电线的摆动监测，应用十分的广泛。 1.2 总体方案论述 加速度数据采集系统的总体结构如图1所示。系统主要由三部分组成，包括加速度传感器节点，协调器，PC。首先我们将编写好的协调器代码通过IAR环境烧写到协调器中，然后修改协调器中各节点ID，此时协调器将会组建一个小范围的网络来控制各个节点协调工作。加速度传感器节点将采集到的数据通过无线的方式传给协调器，协调器通过串口将数据上传到上位机的显示屏。本次的系统设计在原有的基础上增加了难度，不仅通过串口通信输出到 PC 机上实时显示，而且同过无线的方式用加速度传感器采集到的信息来控电机，通过转动与停止来检测是否产生加速度。 其系统组成框图如图1.1所示 图1.1 系统总体框图