【正文】 本科學生畢業(yè)設計 基于 Zigbee 的無線傳感器網絡平臺的設計 院系名稱 ： 專業(yè)班級 ： 學生姓名 ： 指導教師 ： 職 稱 ： 講 師 黑 龍 江 工 程 學 院 二 ○一二 年六月 The Graduation Design for Bachelor39。s Degree Wireless Sensor Network Based on Zigbee Platform Design Candidate： Specialty： Measurement amp。 Control Technology and Instrumentation Class： Supervisor： Lecturer Zhang Peng Heilongjiang Institute of Technology 202006 Harbin 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 I 摘 要 在 當今信息化時代，各種信息的感知、采集、轉換、傳輸和處理的功能器件 ——傳感器，已經 被應用到 各個應用領域 。 對于普通的傳感器而言，它在功能上有很多局限性，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理數(shù)率較低、數(shù)據(jù)傳輸量少、可靠性與穩(wěn)定性低、低的分辨率與低信噪比。而無線智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。 本設計采用 Zigbee 技術對無線傳感器模塊進行了自組網，在成熟的溫濕度傳感器的基礎上，完成了各個無線傳感器節(jié)點以及與主節(jié)點之間的相互通信，提出了無線傳感器網絡的解決方案。設計 中 采用 Zigbee 無線模塊為傳感器的應用和維護提供便利條件。各個節(jié)點采用電池供電，使傳感器的 體積變小， 應用 起來 更加 小巧 靈活。根據(jù)ZigBee/ 協(xié)議標準，把低功耗、低成本作為主要目標，可在數(shù)千個微小的傳感器之間實現(xiàn)相互協(xié)調通信 ，而 采用 Zigbee 芯片內部集成的低功耗增強型 8051 微控制器，使對傳感器的通信和控制變的更加靈活 。 關鍵字 ： 無線傳感器網絡；網絡節(jié)點； Zigbee 技術； 8051 微控制器； Zigbee 無線模塊 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 II ABSTRACT In today39。s information age, information perception, acquisition, conversion, transmission and processing of functional devices sensor, has been applied to various fields of application. For ordinary sensors, its function has many limitations, such as data acquisition system treatment rate is low, the volume of data transmission, reliability and stability is low, low resolution and low signal to noise intelligent sensor with microprocessor, with the collection, processing, the ability to exchange information, is integrated sensors and microprocessor bination. This design uses the Zigbee technology on wireless sensor module to the ad hoc work, in the maturation of the temperature and humidity sensor based on, pleted each wireless sensor node and the munication between the master node is proposed for wireless sensor work using Zigbee wireless module for sensor applications and maintenance of node uses a battery to supply power, so that the sensor is smaller, more pact and flexible to the ZigBee/ protocol standard, low power, low cost as the main target, on thousands of tiny sensors to realize mutual coordination between munication, and uses the Zigbee chip integrated low power enhanced 8051 micro controller, the munication of the sensor and control bee more flexible. Key words: Wireless sensor work。 Net work node。 Zigbee technology。 8051 microcontroller。Zigbee wireless module 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 1 第 1 章 引 言 概述 在當今信息化時代，各種信息的感知、采集、轉換、傳輸和處理的功能器件 ——傳感器，已經成為各個應用領域，對于普通的傳感器而言，它在功能上有很多局限性，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理數(shù)率較低、數(shù)據(jù)傳輸量少、可靠性與穩(wěn)定性低、低的分辨率與低信噪比。而無線智能傳感器已經應用于各個領域，它帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。與一般傳感器相比，無線智能傳感器具有以下三個優(yōu)點：通過軟件技術可實現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化 能力；功能多樣化。 ZigBee/ 標準把低功耗、低成本作為主要目標，可在數(shù)千個微小的傳感器之間實現(xiàn)相互協(xié)調通信。目前，基于該技術的無線傳感器網絡的研究和開發(fā)得到越來越多的關注。無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監(jiān)測和采集網絡分布區(qū)域內的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網關節(jié)點，以實現(xiàn)復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，通過它來實現(xiàn)無線傳輸是無線傳感網絡的新突破。 無線傳感器網絡的發(fā)展 目前，無線傳感器網絡已經引起了世界各國工商界 、學術界的極大關注。美國軍方方面有 C4KISR 計劃、 Smart Sensor Web、靈巧傳感器網絡通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網系統(tǒng)、網狀傳感器系統(tǒng) CEC 等。美國 Dust Networks 和 Crossbow Technologies 等公司的 “ 智能塵埃、 Mote” 已進入測試使用階段。麻省理工學院開始研究超低能源無線傳感器網絡的問題，試圖解決超低能源無限傳感器系統(tǒng)的方法學和技術問題。 EIIker Oyman 和 Cem Ersoy，提出了關于涉及多個數(shù)據(jù)匯集點的問題，其中提及影響相關多個數(shù)據(jù)匯集點與無限傳 感器網絡生命周期的原因在于數(shù)據(jù)匯集點所擺放的位置與數(shù)據(jù)匯集點的數(shù)量，其中利用 Kmean 算法找出最佳的數(shù)據(jù)匯集點數(shù)量與位置擺放來作為延長無限傳感器網絡的生命周期的算法依據(jù)。 康奈爾大學，南加州大學先后提出了新的通信協(xié)議，包括談判類協(xié)議、定向發(fā)布類協(xié)議、能源敏感協(xié)議、多路徑類協(xié)議、傳播路由協(xié)議和相應的系統(tǒng)軟件，針對能耗問題進行了專門的優(yōu)化，使得無限傳感器網絡的生存時間也能得到有效的延長。在感 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 2 知數(shù)據(jù)查詢處理的研究方面，南加州大學研究了傳感器網絡上的聚集函數(shù)的計算方法，提出了節(jié)能元的計算聚集的樹構造算法。我國也開 展了這一領域的研究工作，如無限傳感器節(jié)點的硬件設計、操作系統(tǒng)、網絡路由技術、節(jié)能技術、覆蓋控制技術等。哈爾濱工業(yè)大學和黑龍江大學在傳感器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)方面開展了研究工作，提出了以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網絡的數(shù)據(jù)模型、一系列的能源有效的感知數(shù)據(jù)操作算法和感知數(shù)據(jù)查詢處理技術，并研制了一個傳感器網絡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。 麻省理工學院提出的 WSN 定位方法可以分為距離相關 （ rangebased） 定位算法和距離無關 （ rangefree） 定位算法兩大類。距離相關定位算法通常利用測距技術得到節(jié)點間距離，再利用三邊測量法、三角測量 法或極大似然估計法計算出未知節(jié)點的位置。常用的測距技術包括接收信號強度 （ RSSI） 技術、信號傳輸時間 （ TOA） 技術、信號到達時間差 （ TDOA） 技術和信號到達角度 （ AOA） 技術。距離無關定位算法利用節(jié)點間的連通情況來估測自己的位置。其中一部分距離無關算法采用集中式計算模式，再用優(yōu)化方法來提高定位精度，如凸規(guī)劃算法和 MDS—MAP 算法，但是集中計算方式需要網絡中有中心節(jié)點支持，會導致中心節(jié)點通信量大，能量耗盡快，網絡癱瘓。絕大多數(shù)距離無關定位算法采取分布式計算模式，擴展性好，通信量小。 Behnke 等人提出了質心 定位算法和加權質心定位算法，根據(jù) ZigBee/ 傳感器網絡發(fā)射接收距離或連接質量為每一個接收坐標分配不同的權重。 Behnke 和 Timmermann 通過使用連接質量的歸一化值推廣了 WCL 機制。 Schuhmann 推導了室內發(fā)射接收距離的指數(shù)逆相關的固定參數(shù)集和對應于與 WCL 的權重。這些方法假設接收機與發(fā)射機的距離不是很遠，發(fā)射接收距離至少有一個接收器是提前預知的。 我國無線傳感器網絡及其應用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，首次正式出現(xiàn)于1999 年中國科學院《知識創(chuàng)新工