采用ZigBee技术的无线环境监测装置设计毕业设计开题报告.doc

陆军航空兵学院毕业设计（论文）开题报告 飞行器系统与工程 专业设计（论文）题目 采用ZigBee技术的无线环境监测装置设计学员姓名 王培洋 学号 01812010038 起迄日期 2014年2 月至2014年6 月 设计地点 陆军航空兵学院 指导教员 李卫京 2014年1月10日结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写15002000字左右的文献综述。 随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信，无线环境监测就是其中一个分支。 无线环境监测主要应用于工业、农业、军事和自然环境的监测，主要包括工业厂房环境、温室大棚环境、矿井环境、大气环境、水环境以及地质环境等各种环境状况的监测，在这多种多样的环境中，有许多监测条件是非常恶劣、人烟稀少、维护困难的，因此无线环境监测在这样的条件下就具有无可比拟的优势。微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络（Wireless Sensor Network）。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。无线传感模块是新兴的下一代无线传感网络节点，它是组成无线传感网络的基本部分。无线传感器则是在智能传感器的基础上集成无线功能模块，使得传感器不再是单独的感知模块，而是一个能够实现数据采集、处理，信息交换和控制的有机整体。由于无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同。已有的节点，有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，无线传感模块的发展必然是趋向与低功耗的。即在保证所需要实现功能的基础上，尽量的实现整个模块的低功耗，甚至在不影响整体性能的情况下适当减少部分功能来实现降低功耗的目的。正是由于当前能耗对无线传感模块的影响，低功耗研究才上升为一个热点领域，不论是使用电源或者电池供电，在实现低功耗后，无线传感模块的发展趋势必然是自生能源式的。利用太阳能、振动能量、地热、风能等实现无线传感模块的电能供应对于全面提高无线传感模块的能力将会起到巨大的作用。最后，基于能力存储技术的发展，电池的容量越来越大，再加上低功耗的实现，无线传感模块的适用寿命不断增加将会成为一个绝对趋势。未来的无线传感模块必将是集稳定性与安全性、扩展性与灵活性、微型化与低成本等特点为一体的。无线通信技术蓬勃发展的今天。在正交频分复用（OFDM）和多入多出（MIMO）等基础技术支持下，多种无线技术如蓝牙、Wi-Fi、WIMAX、超宽带和无线局域网获得了长足发展，而ZigBee技术与蓝牙相类似，是一种新兴的短距离无线通信技术。ZigBee 技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间。ZigBee的名字主要来源于蜜蜂通过跳 ZigZag形状的舞蹈来传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息，一只一只的传递下去。而此种技术采用的是无线自组织网络技术，与蜜蜂的通信类似，网络中的各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。网络节点则以ZigBee协议为基础进行通信，与各种传统无线网络相比，其主要优点有以下几个方面： （1） 网络稳定性好。其设计的网络自己组织性能使网络各个节点在无需人工干预的情况下自己组网并实现数据传输的任务，当添加或去除网络中某个节点时，其余节点可以自行寻找其他节点替代中转信息，具有较强网络自愈能力； （2）成本低。 （3）功耗低。它的超低功耗也使得在应用中两节普通AAA干电池即可使用6个月至2年的时间，这也是ZigBee的最大的一个优势； （4）网络容量大。每个ZigBee设备可以与另外254台节点设备相连接，而加入路由节点的ZigBee网络最多可容纳多达65000多个节点的网络； （5）数据传输速率低。只有10kb/s250kb/s，能满足本设计需求； （6）工作频段灵活。使用的频段中2.4GHz全世界通用，欧洲使用868MHz，美国则使用915MHz频段，但这些均是免申请频段，可以直接使用4； （7）网络延迟时间短。活动设备信道接入延时和休眠激活延时均仅为15ms，而搜索设备延时时间达到30ms。本设计拟以TI公司MSP430超低功耗微控制器与ZigBee芯片为控制核心，传感器节点放置于需要测量的现场，实时监测目标环境内温度，光照，有害气体等工业参数，并将实测值与设定的限定值进行对比，若实测值超过设定的范围，则进行报警。系统能对大面积的多点温度，光照以及有害气体进行监测，并进行实时分析。 MSP430系列是美国德州仪器（Texas Instruments）提供的超低功耗混合处理器产品，使用16位RISC精简指令集，主要面向于低成本，特别是超低功耗的嵌入式应用。待机时电流消耗小于1mA。为实现对毕业设计课题有比较全面深入了解，查阅了有关ZigBee无线通信技术，MSP430系列超低功耗混合处理器等相关的书籍和文献。主要资料为教材ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践、MSP430单片机基础与实践、现代电子线路、全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2007）等。2.毕业设计任务要研究或解决的问题和拟采用的方法：如何改善无线传感网络的通信方式，以便实现方便快捷的网络配置，以及如何实现系统性能与功耗的平衡，是本设计的研究重点。现有的无线环境监测系统的功耗与性能平衡实现并不理想，保证传感器节点与终端的性能合理，同时要使节点和终端的维护周期更长（即功耗更低），成为本设计的研究难点。同时还要实现传感器节点安装与配置的方便/设备的小型化、轻量化。本设计拟采用优化的电路设计、合理的软件控制以及选用功耗更低的元器件实现功耗与性能的平衡。通信方面将使用ZigBee来进行组网，通过预配置实现传感器节点与终端上电自组网。最后，本设计打算采用优化的元器件选型和布局布线来实现系统的小型化。指导教员意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）：本课题要求学员自学相关电子技术，设计出低能耗的无线环境监测装置，在条件许可时制作出实物。对于本科学员来说，该课题涉及到部分专业外内容，要自学无线传感模块、无线通信技术、超低功耗技术等内容，具有一定的深度；另外，要设计出无线环境监测装置，需要综合考虑多方面因素，该课题也