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

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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

IndoorenvironmentmonitoringsystembasedonZigbeewirelesssensornetworksbyZhangHaoAthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofSoftwareengineeringlnSoftwareengineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorZhouShunxianSeniorEngineerDaiZhengbinMarch，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Zigbee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AbstractWiththerapiddevelopmentoftechnologyofwirelesssensorandphysicalnetworkingapplicationstechnology，wirelesssensornetworktechnologyhasbeenwidelyusedinindustry，agriculture，defenseandotherfields，andalsograduallyusedinpeople’Sdailylives．Therefore，ithasbroadapplicationprospectstobuildanindoorenvironmentmonitoringsystemtoimprovepeople’Slivesandofficequality．Throughtheanalysisanddesignofaprototypesystemforindoorintegratedenvironmentaldetection，promoteandapplythewirelesssensornetworktechnologywhichisbasedonZigbeeintothefieldoftheindoorenvironmentmonitoring，forthepurposeofimprovingpeople’Slivingenvironmentandbuildingthetechnologicalfoundationoftheirofficeenvironment．Thispapergivesanoverviewofthestudyandapplicationofwirelesssensornetworksathomeandabroadfromthesensingdataacquisitiontechnology，sensingdatastorageandindexingtechniques，todatamanagementandinformationpredictiontechnology，intuducestheapplicationbackgroundandprospectsofsmarthomebothathomeandabroad，involvesinthecoretechnologiesofthissystemwhichrefertoZigbee，QTtechnology，API，Linux，etc．．Meanwhile，basedontheapplicationoftheindoorenvironmentmonitoring，thepaperhasanalyzedtheapplicationrequirementsandtheoverallfunctionofthepresentsystem，designedthesystemstructuretoachievetheoverallfunctionalityandthespecificcontentofindoorenvironmentmonitoringwirelesssensornetworkbasedonZigbee，andanalyzed，designedanddoneequipmentselectionofnetworkhardwarestructure．Itfocusesonmethodsofnetworkingoftheelaboratenetworkanditsimplementations，includingtestmethods，testproceduresandtestresultsofmaincommunicationfunctionofinformationcollectionnetwork．ItalsoelaboratesrealizationmethodsofthemainfunctionsoftheindoorenvironmentmonitoringsystemwhichisbasedonZigbeewirelesssensornetwork，includingtheinformationsensingfunctions，informationtransmissionfunction，thefunctionofdataacquisition，dataprocessingandservicefunctions．Basedontheanalysisanddiscussionofdesigningmethodsofindoorenvironmentalmonitoringsystem，thepaperhasexpoundedimplementationcaseofsubsystemofthesmarthomemonitoringindoorenvironmental，discussedtheimplementationdetailsofthedesigningprocesswhichisbasedonsuccessfullyapplicationintothesmarthome．．III．．

monitoringsystem．Allinall，thepaperhasinitiallybuiltaprototypeofanindoorenvironmentmonitoringsystem，toprovideareferenceforfurtherconstructionofthepracticalapplicationoftheindoorenvironmentmonitoringsystem，therefore，ithassometheoreticalsignificanceandpracticalvalue．Keywords：

wirelessnetwork；sensortechnology；environmental；monitoringsmarthome．IV．

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………………………………………………………………………………IIAbstract……………………………………………………………………………………………………．．III插图索引…………………………………………………………………………VIII附表索引……………………………………………………………………………X第1章绪论………………………………………………………………………．．11．1研究内容及意义…………………………………………………………．．11．1．1国内外无线传感器网络技术研究及应用现状………………………．．11．1．2智能家居环境监测应用研究现状……………………………………．51．1．3开源软件引领软件发展潮流…………………………………………．71．2系统涉及的主要技术概述…………………………………………………71．2．1Zigbee无线传感网络技术……………………………………………71．2．2QT技术……………………………………………………………………………………．81．2．3API函数………………………………………………………………81．2．4Linux技术…………………………………………………………………………………81．3章节组织结构……………………………………………………………一8第2章系统总体需求分析及设计………………………………………………．102．1系统总体需求分析………………………………………………………．102．2系统总体功能设计………………………………………………………．112．2．1环境信息采集功能……………………………………………………122．2．2环境信息传输功能……………………………………………………122．2．3环境信息处理功能……………………………………………………122．3系统总体体系结构设计…………………………………………………．122．3．1ZigBee无线通信技术的主要特点……………………………………122．3．1QT技术的主要特点…………………………………………………．．142．3．2系统总体体系结构……………………………………………………152．4小结………………………………………………………………………………………………17第3章基于Zigbee无线传感器网络监测系统的设计…………………………．183．1传感器网络系统总体结构设计…………………………………………．183．2ZIGBEE无线传感网络系统构建…………………………………………．183．2．1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3．2．2Zigbee节点选型……………………………………………………一203．2．3Zigbee无线传感器网络的通信功能…………………………………213．3ZIGBEE网络组网的实现…………………………………………………233．3．1Zigbee网络的初始化…………………………………………………233．3．2Zigbee协调器建立网络………………………………………………233．3．3终端设备加入网络……………………………………………………263．3．4路由器加入网络………………………………………………………273．4信息采集网络通信主要功能测试………………………………………．283．5小结………………………………………………………………………………………………30第4章系统主要功能的实现……………………………………………………．324．1传感器驱动的实现………………………………………………………．324．2网络路由节点和终端节点数据处理……………………………………一354．3ZIGBEE与ARM之间串口通讯协议制定………………………………一364．4ZIGBEE与ARM之间的数据传输………………………………………一374．5ARM微处理器数据采集的实现…………………………………………374．5．1ARM微处理器嵌入式SQLite数据表设计…………………………一374．5．2ARM微处理器数据采集软件界面……………………………………394．6PC端主要数据管理功能的实现…………………………………………404．6．1PC数据库设计………………………………………………………一404．6．2PC机主要数据管理功能的实现………………………………………404．6．3PC机与ARM数据通信功能的实现…………………………………424．6．4网络拓扑的可视化实现………………………………………………424．7PC对ARM及传感节点的控制…………………………………………．424．7．1PC对ARM及传感节点的控制流程设计……………………………424．7．2PC对ARM及传感节点的控制协议…………………………………424．7．3Zigbee响应控制………………………………………………………444．7．4路由器、终端节点响应控制…………………………………………444．7．5ARM开发板响应控制………………………………………………一454．8数据采集时间定时功能…………………………………………………．454．9数模转换…………………………………………………………………464．10小结……………………………………………………………………………………………．48第5章智能家居环境监测子系统设计实现……………………………………一495．1系统的硬件组成…………………………………………………………495．2系统的软件组成…………………………………………………………505．3系统详细设计与实现成…………………………………………………．50

工程硕士学位论文5．3．1系统设计方案…………………………………………………………505．3．2系统的功能结构………………………………………………………．5l5．3．3Zigbee信息的获取……………………………………………………525．3．4ARM微处理器QT程序与Zigbee模块通信…………………………565．3．5GPRS模块……………………………………………………………575．3．6QT程序与GPRS模块通信…………………………………………一585．4系统实施…………………………………………………………………595．4．1QT移植………………………………………………………………．595．4．2sqlite移植……………………………………………………………．605．4．3BOA移植……………………………………………………………一6l5．4．4系统调试运行…………………………………………………………625．5系统基本功能测试………………………………………………………．635．6小结………………………………………………………………………………………………64结论…………………………………………………………………………………………………………65参考文献……………………………………………………………………………67．VII．

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1．1环境监测无线传感器网络节点的结构框架…………………………………1

图2．1系统总体功能模块…………………………………………………………11

5

图2．2系统总体体系结构图…………………………………………………………………………．1

图2．3

ARM实现的主要功能………………………………………………………16

图2．4PC机的数据存储与管理功能………………………………………………17

图3．1室内环境感知传感器网络总体结构………………………………………．19

图3．2ZIGBEE开发板套件…………………………………………………………2l

图3．3终端节点的功能……………………………………………………………22

图3．4路由节点的功能……………………………………………………………22

图3．5协调器的功能………………………………………………………………………………．．23

图3．6协调器建立网络流程图……………………………………………………25

图3．7网络建立时设备状态变化示意图…………………………………………．26

图3．8终端发现并设备加入网络流程图…………………………………………．26

图3．9终端设备加入网络时设备状态变化………………………………………．27

图3．10路由器加入网络流程图…………………………………………………一27

图3．11路由器加入网络时设备状态的改变………………………………………28

图3．12电源供电状态……………………………………………………………一28

图3．13网络初始化成功……………………………………………………………28

图3．14ARM开发板与ZIGBEE协调器连接图……………………………………29

图3．15

ARM开发板与PC连接成功图…………………………………………一29

图3．16ZIGBEE设备的LED灯响应指令…………………………………………．30

图3．17

ARM体现传感器停止发送的操作………………………………………一30

图4．1PC控制流程图………………………………………………………………43

图5．2系统的软件组成图…………………………………………………………50

图5．3智能家居信息采集处理服务器硬件组成…………………………………．50

图5．4智能家居环境监测系统软件架构…………………………………………．51

图5．5

QT前台控制程序架构………………………………………………………51

图5．6系统功能……………………………………………………………………52

图5．7ZIGBEE编程流程……………………………………………………………52

图5．8GPRS编程流程……………………………………………………………．．57

图5．9智能家居环境监测系统主界面……………………………………………．62

工程硕士学位论文

图5．10系统数据管理功能界面…………………………………………………一63

图5．11

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3．1部分传感器节点选型………………………………………………………．19

表4．2串口通信协议………………………………………………………………37

表4．3气体数据库表………………………………………………………………38

表4．4室内气体信息数据库表……………………………………………………38

表4．6温度数据库表………………………………………………………………39

表4．7ZIGBEE路由数据库表………………………………………………………39

表4．8PC数据库的表设计…………………………………………………………40

表4．9PC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。

1．1研究内容及意义

1．1．1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1．1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统可由如图1．1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