基于Zigbee的温度湿度监测系统的研究

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在生命科学设施、计量校准实验室和电子制造环境,温度和湿度往往需要监测和报警显示,以保障产品和工艺;在农业种植、环境监测和我们的日常生活中,要时刻关心环境变化,只有在适宜的温度和湿度下,才能获得更大的效益。因此监测温度湿度工作尤为重要。传统的监测系统都是采用RS485或CAN总线传送数据,线路布线复杂困难,成本高,老化、容易受雷击等问题影响了其可靠性,不利于集中性管理。另外,像温度、湿度传感器这样的设备并不需要很大的传输速率和功耗,Zigbee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,其成功的关键在于丰富而便捷的应用。无需布线,可以根据实际需要增减和移动传感器采集节点,使用起来灵活方便。因此,本文利用Zigbee技术来设计温度湿度监测系统,稍加改进还可以添加更多的传感器和更多功能的传感器网络,扩展性强,具有广阔的市场应用前景。本文研究了基于Zigbee的温度湿度监测系统,主要做了以下几项工作:(1)绪论部分介绍了课题的研究背景和无线传感器网络的概述,然后介绍了国内外对WSN的研究现状。在全球范围内物联网正处于起步发展阶段,物联网技术发展和产业应用具有广阔的前景和难得的机遇。(2)介绍了IEEE802.15.4/Zigbee无线传感器网络通信标准。介绍了Zigbee技术的由来和它的各个技术参数,并与其他无线通信方式比较,得出了Zigbee技术在无线网络中的优点。详细阐述了Zigbee的三种网络拓扑结构,最后介绍了Zigbee协议架构的各层及其功能。(3)设计了系统无线传感器节点的硬件部分。根据模块化设计原则,一个节点分为射频电路模块、主板和传感器模块三个部分。采用首个符合Zigbee标准的CC2430射频芯片和SHT10温度湿度传感器来设计,实现数据的采集与传输。(4)设计了系统无线传感器节点的软件部分。深入研究Zigbee协议规范,并利用TI公司提供的Z-Stack协议栈,在IAR开发环境下的应用层通过移植添加自己的应用程序,用C语言编写相应的代码。协调器、路由器、终端设备都在一个项目下,通过条件编译即可实现,给出了各节点的软件实现流程图。调试运行程序无误后,下载到节点中。实现温度、湿度数据的无线传输,在PC的串口调试助手中可获取节点的物理地址、和温度、湿度数据值。(5)介绍了系统的软件低功耗设计。为满足系统低功耗需求,通过设计对终端节点休眠来降低功耗。详细介绍了树路由算法,研究其改进方法并设计改进的流程图,通过添加邻居节点改进已有的树路由算法,节点到节点的数据传输不必经过协调器。路由跳数减少,相应的节点功耗就会降低。通过一个树状网络实例来说明改进的算法缩短了节点到节点的传输路径。改进后通信距离减小,其生存周期变长,更适合对周围环境的长期监测。(6)最后对本文进行总结和对以后工作的展望。
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