基于Zigbee无线传感器网络的室内环境监测系统设计可编辑.docx

1、基于Zigbee无线传感器网络的室内环境监测系统设计可编辑基于Zigbee无线传感器网络的室内环境监测系统设计 普通湖南大学硕士学位论文于Zigbee境监测系无线传感器网络的室内统设计基环 IndoorenvironmentmonitoringsystembasedonZigbeewirelesssensornetworksbyZhangHaoAthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofSoftwareengineeringlnSoftwareengineeringintheGradua

2、teSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorZhouShunxianSeniorEngineerDaiZhengbinMarch，2013 湖南大学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，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：帮之日期：bl、年u月汐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留、使用学位论文的规定，同意

3、学校保留并向国家有关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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密姒 请在以上相应方框内打“” 作者签名：长吼渤瞬月汐日 基于Zigbee无线传感器网络的室内环境监测系统设计摘要随着无线传感技术及物联网应用技术的迅猛发展，无线传感器网络技术已广泛应用于工业、农业及国防等领域，也逐步应用于人们的日常生活。因此，构建一个提高人们生活、办公质量的室内综合环境监测系统，具有广泛的推广应用前景。在将基于Zi

4、gbee的无线传感器网络技术应用、推广到室内综合环境的监测中，为改善人们生活居住环境及办公环境奠定技术基础。论文从传感数据采集技术、传感数据存储与索引技术、数据管理及信息预测技术等方面，概述了国内外无线传感器网络主要技术的研究及应用现状；介绍了智能家居的应用背景及国内外应用前景；介绍了本系统涉及的Zigbee技术、QT技术、API、Linux等主要技术。同时，基于室内环境监测的应用，分析了本系统的应用需求与总体功能，设计了系统的整体架构，以及基于Zigbee技术的室内环境监测无线传感网络的具体方案，并对网络硬件结构进行了分析、设计及设备选型。其重点是对网络的组网及实现方法进行阐述，包括信息采集

5、网络主要通信功能的测试方法、测试过程及测试结果；描述了基于Zigbee无线传感器网络的室内环境监测系统各主要功能的实现方法，包括信息传感功能、信息传输功能、数据采集功能、数据处理与服务功能；基于对室内综合环境监测系统设计方法的分析讨论，设计了室内综合环境信息监测中智能家居监测子系统的具体实施案例方案，给出了将基本方法成功应用到智能家居监测系统的具体实施细节。总之，论文初步构建了一个基于Zigbee技术的室内综合环境监测原型系统，为进一步构建能实际应用的室内环境监测系统提供了参考，具有一定的理论意义和实际应用价值。关键词：无线网络；传感器技术；环境监测：智能家居 工程硕士学位论文Abstract

6、Withtherapiddevelopmentoftechnologyofwirelesssensorandphysicalnetworkingapplicationstechnology，wirelesssensornetworktechnologyhasbeenwidelyusedinindustry，agriculture，defenseandotherfields，andalsograduallyusedinpeopleSdailylivesTherefore，ithasbroadapplicationprospectstobuildanindoorenvironmentmonitor

7、ingsystemtoimprovepeopleSlivesandofficequalityThroughtheanalysisanddesignofaprototypesystemforindoorintegratedenvironmentaldetection，promoteandapplythewirelesssensornetworktechnologywhichisbasedonZigbeeintothefieldoftheindoorenvironmentmonitoring，forthepurposeofimprovingpeopleSlivingenvironmentandbu

8、ildingthetechnologicalfoundationoftheirofficeenvironmentThispapergivesanoverviewofthestudyandapplicationofwirelesssensornetworksathomeandabroadfromthesensingdataacquisitiontechnology，sensingdatastorageandindexingtechniques，todatamanagementandinformationpredictiontechnology，intuducestheapplicationbac

9、kgroundandprospectsofsmarthomebothathomeandabroad，involvesinthecoretechnologiesofthissystemwhichrefertoZigbee，QTtechnology，API，Linux，etcMeanwhile，basedontheapplicationoftheindoorenvironmentmonitoring，thepaperhasanalyzedtheapplicationrequirementsandtheoverallfunctionofthepresentsystem，designedthesyst

10、emstructuretoachievetheoverallfunctionalityandthespecificcontentofindoorenvironmentmonitoringwirelesssensornetworkbasedonZigbee，andanalyzed，designedanddoneequipmentselectionofnetworkhardwarestructureItfocusesonmethodsofnetworkingoftheelaboratenetworkanditsimplementations，includingtestmethods，testpro

11、ceduresandtestresultsofmaincommunicationfunctionofinformationcollectionnetworkItalsoelaboratesrealizationmethodsofthemainfunctionsoftheindoorenvironmentmonitoringsystemwhichisbasedonZigbeewirelesssensornetwork，includingtheinformationsensingfunctions，informationtransmissionfunction，thefunctionofdataa

12、cquisition，dataprocessingandservicefunctionsBasedontheanalysisanddiscussionofdesigningmethodsofindoorenvironmentalmonitoringsystem，thepaperhasexpoundedimplementationcaseofsubsystemofthesmarthomemonitoringindoorenvironmental，discussedtheimplementationdetailsofthedesigningprocesswhichisbasedonsuccessf

13、ullyapplicationintothesmarthomeIII monitoringsystemAllinall，thepaperhasinitiallybuiltaprototypeofanindoorenvironmentmonitoringsystem，toprovideareferenceforfurtherconstructionofthepracticalapplicationoftheindoorenvironmentmonitoringsystem，therefore，ithassometheoreticalsignificanceandpracticalvalueKey

14、words：wirelessnetwork；sensortechnology；environmental；monitoringsmarthomeIV 工程硕士学位论文目录学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书I摘要IIAbstractIII插图索引VIII附表索引X第1章绪论111研究内容及意义1111国内外无线传感器网络技术研究及应用现状1112智能家居环境监测应用研究现状5113开源软件引领软件发展潮流712系统涉及的主要技术概述7121Zigbee无线传感网络技术7122QT技术8123API函数8124Linux技术813章节组织结构一8第2章系统总体需求分析及设计1021系统总体

15、需求分析1022系统总体功能设计11221环境信息采集功能12222环境信息传输功能12223环境信息处理功能1223系统总体体系结构设计12231ZigBee无线通信技术的主要特点12231QT技术的主要特点14232系统总体体系结构1524小结17第3章基于Zigbee无线传感器网络监测系统的设计1831传感器网络系统总体结构设计1832ZIGBEE无线传感网络系统构建18321传感器节点选型18 基于Zigbee无线传感器网络的室内环境监测系统设计322Zigbee节点选型一20323Zigbee无线传感器网络的通信功能2133ZIGBEE网络组网的实现23331Zigbee网络的初始化

16、23332Zigbee协调器建立网络23333终端设备加入网络26334路由器加入网络2734信息采集网络通信主要功能测试2835小结30第4章系统主要功能的实现3241传感器驱动的实现3242网络路由节点和终端节点数据处理一3543ZIGBEE与ARM之间串口通讯协议制定一3644ZIGBEE与ARM之间的数据传输一3745ARM微处理器数据采集的实现37451ARM微处理器嵌入式SQLite数据表设计一37452ARM微处理器数据采集软件界面3946PC端主要数据管理功能的实现40461PC数据库设计一40462PC机主要数据管理功能的实现40463PC机与ARM数据通信功能的实现4246

17、4网络拓扑的可视化实现4247PC对ARM及传感节点的控制42471PC对ARM及传感节点的控制流程设计42472PC对ARM及传感节点的控制协议42473Zigbee响应控制44474路由器、终端节点响应控制44475ARM开发板响应控制一4548数据采集时间定时功能4549数模转换46410小结48第5章智能家居环境监测子系统设计实现一4951系统的硬件组成4952系统的软件组成5053系统详细设计与实现成50 工程硕士学位论文531系统设计方案50532系统的功能结构5l533Zigbee信息的获取52534ARM微处理器QT程序与Zigbee模块通信56535GPRS模块57536QT

18、程序与GPRS模块通信一5854系统实施59541QT移植59542sqlite移植60543BOA移植一6l544系统调试运行6255系统基本功能测试6356小结64结论65参考文献67VII 基于Zigbee无线传感器网络的室内环境监测系统设计 插图索引 图11环境监测无线传感器网络节点的结构框架1 图21系统总体功能模块11 5 图22系统总体体系结构图1 图23 ARM实现的主要功能16 图24PC机的数据存储与管理功能17 图31室内环境感知传感器网络总体结构19 图32ZIGBEE开发板套件2l 图33终端节点的功能22 图34路由节点的功能22 图35协调器的功能23 图36协调

19、器建立网络流程图25 图37网络建立时设备状态变化示意图26 图38终端发现并设备加入网络流程图26 图39终端设备加入网络时设备状态变化27 图310路由器加入网络流程图一27 图311路由器加入网络时设备状态的改变28 图312电源供电状态一28 图313网络初始化成功28 图314ARM开发板与ZIGBEE协调器连接图29 图315 ARM开发板与PC连接成功图一29 图316ZIGBEE设备的LED灯响应指令30 图317 ARM体现传感器停止发送的操作一30 图41PC控制流程图43 图52系统的软件组成图50 图53智能家居信息采集处理服务器硬件组成50 图54智能家居环境监测系统

20、软件架构51 图55 QT前台控制程序架构51 图56系统功能52 图57ZIGBEE编程流程52 图58GPRS编程流程57 图59智能家居环境监测系统主界面62 工程硕士学位论文 图510系统数据管理功能界面一63 图511 ZIGBEE节点模拟开关一63 基于Zigbee无线传感器网络的室内环境监测系统设计 附表索引 表31部分传感器节点选型19 表42串口通信协议37 表43气体数据库表38 表44室内气体信息数据库表38 表46温度数据库表39 表47ZIGBEE路由数据库表39 表48PC数据库的表设计40 表49PC机的控制协议43 X 工程硕士学位论文 第1章绪论 随着无线传感

21、技术及物联网应用技术的迅猛发展，无线传感器网络技术已广 泛应用于工业、农业及国防等领域，也逐步应用于人们的日常生活，如智能家居 领域。智能家居主要包括安防系统、对讲系统、自动抄表系统、火灾报警系统、 家庭影院系统、室内灯光和家电控制系统、室内环境监测系统、家庭管理信息化 平台、家电的智能化及控制等。构建一个提高人们生活、办公质量的室内综合环 境监测系统，具有广泛的推广应用前景。 11研究内容及意义 111国内外无线传感器网络技术研究及应用现状 Sensor 无线传感器网络 Wireless Networks 具有广阔的应用前景，能应用于环 境监测、城市管理、生物医疗、卫生保健、抢险救灾、工农业

22、控制、危险区域过 Review 程控制、防恐反恐、国防军事等领域【l，2】。美国技术评论杂志 Technology 2003年2月份评选出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器 网络被列为第一。同年，美国商业周刊未来技术专版，论述四大新技术时， 也将无线传感器网络列入其中【3，4】。 将无线传感器网络应用到环境监测中，通过各种传感器实时采集环境信息， 由嵌入式系统对其进行处理，通过自组织无线网络以多跳中继方式将信息传输到 监测终端，能够弥补有线传输方式的缺陷，具有价廉、便携、可靠性高、易于校 正等优点。 图11 环境监测无线传感器网络节点的结构框架 基于无线传感器网络的环境监测系

23、统可由如图11所示的温度传感器、气体 传感器、粉尘传感器等环境参数传感节点以及无线接收发送基站构成，由多个环 基于Zigbee无线传感器网络的室内环境监测系统设计 境参数传感器节点布置在被监测环境区域内，通过节点自组网功能形成无线传感 网络，环境参数节点感知到的的环境数据通过多跳中继方式形成通信路由，数据 被传输到无线接收基站，然后通过串口、USB或有线等方式传输到PC机或ARM 微处理器上，从而实现对环境信息的实时监测、数据分析与管理。在环境监测系 统中，传感器网络节点是传感器网络的核心部分，不仅承担环境参数数据的感知 及临时处理，还需完成无线传感器节点之间的自组网，形成无线传感器感知与传 输网络，实现节点之间数据传输的无线路由及节点的定位功能等。 构建无线传感器网络的目的是为了有效地感知监测对象、获取感知数据并通 过无线通信方式传输感知数据，网络的重要特点是以数据为中心。如何结合数据 库管理系统技术及无线网络通信技术，从软硬件技术两个方面来实现一个高性能 的以数据为中心的网络系统，为用户提供