【正文】 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 目 錄 摘要 III ABSTRACT IV 第一章 前言 1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 1 研究 ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的必要性 1 本文主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 2 第二章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及 ZigBee 技術(shù) 2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 4 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 5 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù) 5 ZigBee 技術(shù)概述 8 ZigBee 技術(shù)發(fā)展概況 8 ZigBee 技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用 8 ZigBee 技術(shù)與其他技術(shù)的比較 9 ZigBee 協(xié)議架構(gòu) 11 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)配置 12 第三章 ZigBee 無(wú)線傳感器及數(shù)據(jù)采集的方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 15 基于 ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)方案 15 平臺(tái)硬件與軟件設(shè)計(jì) 15 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇 15 TSZCC2430 開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹 16 開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹 16 協(xié)議棧軟件設(shè)計(jì) 17 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì) 17 ZigBee 星型網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 17 ZigBee 簇樹(shù)網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 23 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II 傳 感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模塊（功能模塊）的設(shè)計(jì) 28 傳感器的選擇 28 傳感器數(shù)據(jù)采集流程 29 終端節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)與測(cè)試 34 終端節(jié)點(diǎn)電池的選擇 34 終端節(jié)點(diǎn)低功耗軟件設(shè)計(jì) 34 第四章 基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用 37 第五章 結(jié)束語(yǔ) 40 參考文獻(xiàn) 41 致謝 43 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 基于無(wú)線 傳感 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今國(guó)際備受關(guān)注的 熱點(diǎn)領(lǐng)域，被評(píng)為未來(lái)高科技的三大產(chǎn)業(yè)之一。 而 IEEE 、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，十分適合擔(dān) 當(dāng)組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重任，有著極其重要的研究?jī)r(jià)值。 本文全面深入地對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及 IEEE ，并把 ZigBee 技術(shù)同其他技術(shù)做了比較， 重點(diǎn)對(duì) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)進(jìn)行剖析 ，深入研究 ZigBee 技術(shù)的組網(wǎng)方式 ，給出了基于 ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體設(shè)計(jì)方案 。并結(jié)合 TSZCC2430 ZigBee 開(kāi)發(fā)套件，以 IEEE 礎(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小型 ZigBee 星型網(wǎng)和簇樹(shù)網(wǎng)。 本文采用 SHT1x 溫濕度數(shù)字傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在 已組建的 ZigBee 星型網(wǎng)的基礎(chǔ)上，從終端節(jié)點(diǎn)角度考慮網(wǎng)絡(luò) 的低功耗問(wèn)題，提出了節(jié)點(diǎn)的低功耗軟件設(shè)計(jì)。 本文通過(guò)對(duì) ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，完成了小型ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的傳輸和傳感器 采集數(shù)據(jù)的管理， 得 到了良好的結(jié)果。 關(guān)鍵詞 :ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) IEEE 傳感器數(shù)據(jù)采集 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV Design of Data Acquisition System based on Wireless Sensor Network ABSTRACT Nowadays, wireless sensor works attracts more and more attentions in the front edgetechnology, which is appraised as one of the three future hightech industries. , with the characters of lowplication, lowpower, lowdatarate, and lowcost, is suitable to take onthe task of building the wireless sensor works. Thus ZigBee has an extremely importantworth for reaserch. This paper deeply analyzes wireless sensor works and IEEE /ZigBee standard, especially in the building of ZigBee works. It expounds some key points in themanner of building ZigBee works, like the establishment and maintenance of works, theflow of device joining the works. Moreover, it designs and realizes a mini start workand clustertree work with the ZigBee development suite TSZCC2430 based on the This paper adopts the SHTlx temperature and humidity digital sensors to acquire data,and designs the lowpower manner for endpoint in the ZigBee start work built before. This paper designs and implements a system of data acquisition for wireless sensorworks, with the building of ZigBee wireless sensor works, the transmission oftemperature and humidity sensor data, and the database management of these data. It predictsthe endpoint lifetime, and verifies the results with the measurement in practice as well. Key Words: ZigBee Wireless Sensor Networks IEEE Sensor Data Acquisition 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 前言 傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 當(dāng)今世界信息技術(shù)飛速發(fā)展，給人們的工作和生活帶來(lái)了巨大影響。信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈和應(yīng)用環(huán)節(jié)的第一步是信息的獲取，它直接關(guān)系到信息的傳輸、處理和應(yīng)用。傳感器技術(shù)是信息獲取的最重要、最基本的技術(shù)。隨著獲取信息要求的提高，傳感器獲取技術(shù)從單一化到集成化、微型化，進(jìn)而智能化、網(wǎng)絡(luò)化，形成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。并且隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種獨(dú)立出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)，它的基本組成單位是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn) 集成了傳感器、微處理器、無(wú)線接口和電源管理四個(gè)主要模塊。傳感器、微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)、集成電路、以及低功耗無(wú)線通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得低成本、低功耗、多功能的微型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用成為可能，這些微型無(wú)線傳感器是集成的光機(jī)電一體化系統(tǒng)，具有無(wú)線通信、數(shù)據(jù)收集和處理、協(xié)同工作等功能。它們共同組成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了一種全新的信息獲取和處理模式。微型傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)或者特定地布置在工作環(huán)境中，通過(guò)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)自組織，獲取周圍環(huán)境的信息，形成分布自治系統(tǒng)，相互協(xié)同完成特定的任務(wù)。美國(guó)商業(yè)周刊和 MTI 技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，分別將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為 21 世紀(jì)最有影響的 21 項(xiàng)技術(shù) [1]和改變世界的 10 大技術(shù)之一 [2]。 研究 ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的必要性 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用于軍事、環(huán)境、樓宇控制、保健、交通等領(lǐng)域，針對(duì)無(wú)線傳感器的應(yīng)用背景，對(duì)其終端的要求是盡量節(jié)省系統(tǒng)能量消耗、盡量節(jié)省信息處理以及簡(jiǎn)易的信號(hào)收發(fā)。而對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求是 :用簡(jiǎn)潔的協(xié)議棧支持傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行，使到處存在接入可能 。利用廣播信息，避免交互應(yīng)答 。簡(jiǎn)化的協(xié)議層次、簡(jiǎn)練的信令方式 。節(jié)省的 系統(tǒng)開(kāi)銷等。 ZigBee 技術(shù)的產(chǎn)生正是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求。 ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中。 ZigBee 協(xié)議是專用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，能最大可能的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中能量，可隨時(shí)接入大量節(jié)點(diǎn)，具有高容錯(cuò)性，強(qiáng)魯棒性，逐漸成為了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 由傳感器和 ZigBee 裝置構(gòu)成的 ZigBee 無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可自動(dòng)采集、分析濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 和處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)， ZigBee 技術(shù)的網(wǎng) 絡(luò)擴(kuò)展能力很強(qiáng)，理論上，一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可容納 65536 個(gè)節(jié)點(diǎn)，適合于各種需要數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并要求網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)念I(lǐng)域，具有極其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和很高的研究?jī)r(jià)值。 本文主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 本文全面深入地對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及 IEEE ，重點(diǎn)對(duì) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)做深入分析，從網(wǎng)絡(luò)的建立與保持、設(shè)備入網(wǎng)流程等關(guān)鍵點(diǎn)上突破，深入研究 ZigBee 技術(shù)的組網(wǎng)方法，并結(jié)合 TSZCC2430ZigBee 開(kāi)發(fā)套件，以 IEEE ，搭建了一 個(gè)小型無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上對(duì) 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可重用路由協(xié)議的重用結(jié)構(gòu)模型接口作了部分實(shí)現(xiàn)。 論文結(jié)構(gòu)如下 : 第 1 章緒論。簡(jiǎn)要介紹了本文的課題背景以及課題研究的必要性，概述了研究的主要內(nèi)容，并介紹了本文的整體結(jié)構(gòu)。 第 2 章無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)介紹。介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、應(yīng)用、國(guó)內(nèi)外研究態(tài)勢(shì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)等概念。 對(duì) IEEE 技術(shù)介紹。概述了 ZigBee 技術(shù)發(fā)展、技術(shù)特點(diǎn)，并與其他技術(shù)進(jìn)行了比較，描述了 ZigBee 技術(shù)的協(xié)議架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。 第 3 章 研究 了 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，敘述了硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇，介紹了方案的開(kāi)發(fā)環(huán)境。然后，分別詳細(xì)闡述了星型網(wǎng)和簇樹(shù)網(wǎng)的組建設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。并研究了數(shù)據(jù)采集的流程以及低能耗的設(shè)計(jì)。 第 4 章 介紹了所研究課題的一些應(yīng)用 。 最后對(duì)本文工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)后續(xù)工作進(jìn)行了展望 。 第二章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 及 ZigBee 技術(shù) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最初研究來(lái)源于美國(guó)軍方。當(dāng)時(shí)研究這項(xiàng)技術(shù)的主要目的是想將其應(yīng)用在戰(zhàn)場(chǎng)信息感知、國(guó)土安全與反恐戰(zhàn)爭(zhēng)。隨著研究的進(jìn)一步深入和普及，人們發(fā)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是解決 “ 最后 一米 ” 問(wèn)題的一項(xiàng)有效技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的研究成功將真正的把我們的地球變成一個(gè)完整的數(shù)字地球，讓人類去感知地球的每一個(gè)角落。因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 條件下獲取大量翔實(shí)而可靠的信息 [3]。正是基于這樣的背景，國(guó)外掀起了一股無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。 在國(guó)內(nèi)，關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究雖然起步較晚，但是由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門(mén)新興技術(shù)，國(guó)內(nèi)與國(guó)際水平的差距并不很大。我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金從 2021年開(kāi)始支持無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)方面的研究， 2021 年更是將該方向作為重點(diǎn)支持方向之一。目前國(guó)內(nèi)的 一些科研單位和大學(xué)，如清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等已經(jīng)初步開(kāi)展了在傳感器及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作，從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、路由算法研究、安全技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、定位技術(shù)等各個(gè)角度對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜述、展望和進(jìn)一步的研究。我國(guó)能夠及時(shí)開(kāi)展這項(xiàng)對(duì)人類未來(lái)生活影響深遠(yuǎn)的前沿科技的研究，對(duì)整個(gè)國(guó)家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)將有重大的戰(zhàn)略意義。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，和以往的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，它更多的是以通信為中心，其主要特點(diǎn)是 [4 ,5]: (l)基于應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。在各種 傳感技術(shù)、計(jì)算處理技術(shù)及通 信技術(shù)的結(jié)合下，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于 各種領(lǐng)域。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) “ 以一適全 ” 模式不同的是，針對(duì)不同的應(yīng)用，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)需要調(diào)整自身的配置，如根據(jù)不同的應(yīng)用使用不同的數(shù)據(jù)融合、節(jié)點(diǎn)密度、自適應(yīng)協(xié)議等，即具體應(yīng)用具體配置。 (2)與物理世界交互。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與物理世界緊密融合 ，物理現(xiàn)象取代人成為網(wǎng)絡(luò)的中心。在無(wú)人值守的情況下，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有主動(dòng)感知外界的環(huán)境狀況，對(duì)外界環(huán)境變化做出實(shí)時(shí)反映，根據(jù)物理環(huán)境的改變決定自身系統(tǒng)狀態(tài)能力。采取情景自覺(jué)計(jì)算，以監(jiān)測(cè)對(duì)象為中心，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地根據(jù)周圍的情景執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 (3)自組織 網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系也不能預(yù)先確定，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多條無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在使用過(guò)程中，由于環(huán)境的變化導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備維護(hù)動(dòng)態(tài)路由的功能。 (4)節(jié)點(diǎn)能量、處理能力和存儲(chǔ)空間有限。傳感器節(jié)點(diǎn)依靠電池提供工作所需能量，對(duì)于某些人力不可到達(dá)的惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，更換電源是不可行的，因此必須最大可能的