基于无线传感网的湿度检测方法研究计算机专业

1、基于无线传感网的湿度检测方法研究摘要：本文总体介绍了无线传感器网络在湿度方面的应用。首先,什么是无线传感器网络,无线传感器网络的发展及其未来的探索。然后介绍了无线传感器网络的核心ZigBee技术,包括其技术特点，ZigBee协议栈结构和它的网络拓扑图。ZigBee网络图谱结构是网络的搭建核心，所以这块是非常重要的。在本章中，还介绍了Z-Stack。然后就是文章的主要部分，介绍了无线传感器网络的湿度传感器的整体硬件。并且附加各种原理图和流程图。紧接着就是系统的实现。最后是对文章的总结。关键词：无线传感网、湿度传感器、ZigBee、多点湿度采集，Z-StackResearch on Humidit

2、y Detection Method Based on Wireless Sensor NetworkAbstract：This article introduces the application of wireless sensor network in terms of humidity. First of all, what is the development of wireless sensor networks, wireless sensor networks and its future exploration. Then introduces the core ZigBee

3、 technology of wireless sensor network, including its technical characteristics, ZigBee protocol stack structure and its network topology. The ZigBee network map structure is the core of the network, so this piece is very important. In this chapter, Z-Stack is also introduced. Then is the main part

4、of the article, introducing the overall hardware of the humidity sensor of the wireless sensor network. And add a variety of schematics and flowcharts. Followed by the realization of the system. The last is a summary of the article.Key Words: Wireless sensor network, humidity sensor, ZigBee, multi-p

5、oint humidity collection, Z-Stack目录前言5第一章【无线传感器网络】61.1【无线传感器网络应用现状】61.2【无线传感器网络未来展望】7第二章【ZigBee技术】82.1【ZigBee的介绍】82.2【ZigBee协议介绍】82.3【ZigBee网络拓扑结构】102.4【Z-Stack协议栈介绍】112.5【ZigBee的特点】11第三章【系统硬件介绍】133.1【主要硬件简介】133.2【湿度传感器模块电路原理图】163.3【数据汇聚模块（协调器）】17第四章【操作流程】194.1【操作流程】194.2【上位机（PC）监控界面】204.3【信息采集流程】22

6、第五章【结论】245.1【总结】245.2【展望】24致谢26参考文献29附录31前言近年来，随着网络的快速发展，由网络延伸出来的的产品在各个领域都有建功，特别是物联网领域。在当今世界,物联网已经成为热门话题。随着物联网的快速发展，人工智能，智能家具等各项技术的发展与人们的生活密不可分。如今已经有十几家公司宣布，在未来几年将运行无人驾驶汽车。但估计时间更短,无人驾驶汽车将能够实现大规模生产。五个因素的影响下,人工智能技术的突破,汽车电动化规模、分享旅行的趋势,产业紧密结合的事实,法律法规计划，无人驾驶汽车量产时代将提前到来。物联网是对象与对象之间的网络,对象之间的连接是智能的，便捷化，让本身不

7、可能连接到一起的两个事物，成为可以交互的整体，未来，物联网也会慢慢将世界智能化，让人们生活在一个全智能时代。物联网中的无线传感网技术是物联网的核心，无线传感网在我们的日常生活中所见到的还是比较多的，比如医疗健康、环境监测等等。本文主要讨论的是无线传感网络在环境中湿度的检测。湿度影响着人们的生活，湿度高与低对人们的出行影响还是非常大的，它会使你皮肤难受，导致整天的心情压抑。也会对一些物品的储藏造成影响，如铁的生锈、蔬菜的腐烂等等。人们也在使用各种方法来检测调节湿度，以此使损失减都最少。我国北方的天气比较干燥，而南方的天气是比较湿润的，所以在南方一些货物的存储就会用到湿度检测与调节，而无线传感器网

8、络的湿度检测技术就应运而生了，无线传感网技术可以通过无线操控并查看湿度情况，然后实施调节，这样不仅省去了劳力，也为人们带了方便。所以在未来将是以物联网为主导的智能世界。第一章【无线传感器网络】无线传感器网络由多个传感器组成的网络，无线传感器网络和传感器系统相比，具有以下几个特点：第一，无线传感器网络节点需要省电。在无线传感器网络中，由于每个节点比较小，所以每个节点就只能用一点电，还能收到外界很多东西的影响，因为换电池比较贵，所以电量没有的话，节点就没啥用了。当一半以上节点能源耗尽并且失效时，整个无线传感网络也就失效了。所以想要网络的延长使用时间，就只能让节点省能量。第二，无线传感器网络本来就有

9、自己组织的特点。和有线的网络一比，无线传感器网络的特点就显出来了，它基本不需要人去干涉，一般情况下，每个节点可以相互连接,从而完成初始化、启动监控、自修复故障等。如果想要实现这些功能,自我组织能力是必要的。传感器节点可以感知下一节点的工作状态。通过两个节点之间的通信,可以清楚地知道网络拓扑结构的变化，从而对系统的正常运行的维护。第三，无线传感器网络节点的布置是按安排来分配的。很多传感器的节点的安排，让每个节点都能照顾到自己的地方，这样就可以概括很大的地方。如果地方越大，那么每个部分监测到的数据差距越大，像这样的情况，整个地方的情况就不能以部分节点所测量的为代表了。因为传感器节点的价格比较便宜，

10、所以我们可以在我们所需要测量的区域大范围覆盖，覆盖住区域的每一个角落，这样就可以得到整个地方比较精确的数据了，然后通过计算，可以大致了解整个区域的湿度情况了。1.1无线传感器网络应用现状这几年来，因为时代进步，行业的发展，无线传感网的各个设备的价钱也降低了很多，所以无线传感网被很多人使用。1）环境监测现如今地球的环境可谓是差的不能再差，而人类也在为治理环境而不懈努力。而无线传感器网络的问世，为检测环境带来了很大的便利，并且该技术不会伤害到环境中的一草一木，还能在监测环境的同时，监测一些其他的东西，如土壤成分，空气成分等。2）医疗护理无线传感器网络在医疗、护理方面也有研究。像电影里的情景，一个残

11、疾人士坐着有传感技术的轮椅，在房间和街道上来去自如。3）军事领域由于无线传感器网络搭建的成本比较低，在军事上着有大规模的使用，比如：通讯、侦查敌情、军事物资的输送等，无线传感网在这些情况下，还是非常受欢迎的。现在无线传感器网络还有着一些小问题：1）网络内节点的通信问题。传感器网络在运行时，节点会因为一些障碍物的阻碍而导致通信的不通畅，甚至断掉通信。怎样能解决这个问题？2）延长传感器网络的使用寿命。目前,高能电池通常用来向节点供电，并且本身还需要降低功耗，也有靠着节点本身的运行发出的能量功能和无线充电功能，但目前技术上还不是太支持，也不太成熟。1.2无线传感器网络未来展望无线传感器网络在现在潜力

12、还是挺大的，不仅仅在现在有很大的作用，在未来，还能应用在很多别的东西上，并且显示出它的特点，如家用、保健、交通等领域。将来，也可以在家中的一些电器设备或者其他的生活日常用品中加装微信传感器，以此来远距离控制家中的设备，达到真正的智能家居。第二章【ZigBee】2.1【ZigBee的介绍】 现今，物联网技术在飞快的发展着，与物联网相关的一些东西，如RFID、无线传感器网络也得到了非常快的发展。与此同时，很多无线网络传感器协议都慢慢走上正轨的道路，使用非常多,很多人喜欢协议ZigBee 2007协议,TI推出了完全兼容的SOC芯片CC2530协议,开发Z-Stack协议栈的相关软件,利用无线传感器

13、网络协议使用更多的资源来获得自己的无线传感器网络。 ZigBee是一种标准,它定义了在短距离内传输低消耗无线通信所需的通信协议。基于ZigBee技术的无线网络用于868MHz,915MHz和2.4GHz,和最大数据传输率250kbps。下面是ZigBee在读者中的具体应用的一个具体例子。在医院,团队患者血压监测系统是ZigBee技术。他们将血压传感器和设备连接在一起,然后设备将信息发送到终身计算机。医生可以根据病人的血压数据做出正确的诊断。2.2 Zigbee协议栈结构ZigBee协议栈定义了四层。IEEE 802.15.4-2003定义定义了媒体访问控制层和物理层。上层网络层和应用层由Zig

14、Bee联盟定义。应用层是由ZDO(ZigBee设备对象),AP(应用支持子层)和AF(应用框架),分别。ZigBee协议栈的每一层都将根据指令执行任务,并向上层提供服务。每个层之间的接口由一个已定义的逻辑链路提供。图2.2 Zigbee协议栈结构图1) 物理层物理层可以激活Rf收发器并关闭Rf收发器;信道评估、信道频率的选择和接收分组的链路质量；并且可以控制数据和接收与发送。2) 媒体访问控制层媒体访问控制（MAC）层在每个节点与旁边的节点中间做出了了一条用来传输数据的路线。媒体访问控制MAC层专门解决接入媒体等问题，在物理层面上解决没有丝毫差错的通信。MAC子层负责连接电脑和网络。3) 网络

15、层网络层是基于底层的可通信，提供一些有用的功能,如转发和路由。ZigBee网络有几种网络拓扑结构,如星型、簇树网。但对于终端节点来说,网络层的功能非常简单。它只连接和离开网络。网络层具有多种功能,如信息转发、路由发现、路由表的建立和维护、节点路由任务的构造等；而网络层在协调器方面的功能就比较实际了，它的工作是给新加入的节点分配地址，还有开启和让网络在正常情况下运行。4) 应用层应用层包括三个功能:应用支持子层(APS),ZigBee设备对象(ZDO)和应用框架(AF)。应用层有两个核心功能,即数据和应用程序。数据是数据的管理和完成，应用就是将数据和应用相结合起来，不然光有数据是没用的，必须联合

16、到实际应用上，比如现在的电网电表抄写，只需远程操控电表即可。Zigbee设备对象负责几乎所有的管理任务：给设备下一个定义和协调器，路由器或终端，发现网络参数并确定这些设备可以提供的相应功能，并启动或响应请求设备和链接。 ，还必须在设备和设备之间建立安全关联。 在开发Zigbee产品时，用户必须将应用端点添加到Zigbee协议栈的FA中，ZigBee的ZDO功能可用于发现网络上的其他设备和服务并管理设置。网络。 ZDO功能是一个特殊的应用程序对象：每个Zigbee节点上的端点号是固定的，每个为0。2.3 Zigbee网络拓扑结构有三种拓扑结构:星型、簇绒ZigBee树形和网状型。星型拓扑网络只需

17、要由协调器来设置和维护,而其他设备则是终端设备,它们只与协调者对接。在簇树和网状拓扑网络结构中,协调器不是单个函数。协调器不仅需要形成网络,还需要处理网络中的一些关键网络参数,如信道和地址等。扩大网络的覆盖范围主要是通过路由器。在树状网络中,可以通过路由方法发送数据。树形网络可以使用网络信标通信,而信标通信不能使用。树形网络的路由器和终端节点可以跟踪信标与协调器进行通信。当终端节点处于适当的时间时,一系列查询路由器或协调器将收集信息。MESH型网络比较细致,点对点电平之间的通信可以是点,但信标不能使用。每个ZigBee设备有一个64位IEEE地址,IEEE地址是唯一的和绝对地址、通信设备的地址

18、可以用平底锅,但当加入网络后,协调器也会分配一个16位短地址,网络地址是在同一个网络,是一个独特的相对地址的设备,也可以使用网络通讯地址泛。从物理功能来看，设备类型可以分为两种类型。 另一种是简化的功能装置。在PAN中,一个功能齐全的设备可以充当泛协调器、路由器或终端设备。功能齐全的设备可以同时与多个精简或功能齐全的设备进行通信;简化功能设备,它只能与一个全功能设备进行通信。图2.3网络拓扑结构2.4 Z-Stack协议栈介绍TI的协议栈Z-Stack符合2006 ZigBee规范、功能强大。协议栈已在底层实现。对于简单的应用程序,开发者只需要在应用层开发。Z-Stack还可以通过ZigBee

19、网络节点的更新下载,位置意识和更多的功能。2.5【ZigBee特点】（1） 高可靠性 无线通信的高可靠性,由于电磁波容易受到障碍物和天气条件等多种因素的干扰,因此无线通信系统在数据传输方面本来就不可靠。作为无线通信的一个小分支,无线控制系统在数据传输过程中也不可靠。ZigBee联盟在ZigBee标准建立工会已在数据传输过程中的固有的不确定性的考虑,采取提高数据传输可靠性的一些措施包括:物理层兼容的短距离无线通信协议ieee802.11.5高可靠性而采用OQPSK C和直接序列扩频技术;CSMA-CA技术来解决数据冲突问题;16位CRC校验保证数据的正确性;采用响应保证数据传输的正确地址的数据传

20、输方式;星型网络,确保数据可以不一样从源到目标地址的传输路径。 （2）低成本、低功耗低成本和低功耗ZigBee技术可以应用于8位MCU单片机,采用TI公司推出的ZigBee2007协议兼容的SOC芯片CC2530每件售价20 35元,滤波电路和PCB外部天线可以用来建立网络节点的钢筋混凝土构件。关于低功耗的问题需要解释,在ZigBee网络设备主要分为三类:协调器(coordinator),主要负责无线网络的建立和维护;路由器(Router),主要负责无线网络路由数据;终端节点(End Device),主要负责无线网络的数据采集。 （3）高安全性为了保证数据的安全传输,AES-128加

21、密技术可以使用,但在初始阶段,安全问题可以不考虑。（4）低数据速率无线控制系统对卡片检测、安全性、系统功耗和数据传输成本有特殊要求。，因此，目前的无线网络协议没有很好的解决这些特殊的要求。第三章【系统硬件介绍】CC2530结合了领先的RF收发器的性能优良,行业标准提高了8051的CPU,在系统可编程闪存,8KB的RAM和许多其他强大的功能。CC2530具有四种不同的Flash版本:cc2530f32 / 64/128 / 256,32/64 / 128 / 256KB的快闪记忆体,分别。CC2530具有不同的运行模式,使其特别适用于超低功耗系统。运行方式转换时间短,能耗低。3.1 CC2530

22、的功能1）RF/布局这适用于2.4GHz IEEE 802.15.4射频收发器极高的接收灵敏度和抗干扰性能可编程的输出功率高达4.5 dBm只需极少的外接元件需要一个晶体振荡器,以满足网络系统的需要6-mm ×6-mm 的QFN40 封装它适用于系统配置,这与全球无线电频率调节:ETSI EN 300328和EN 300440(欧洲),FCC cfr47第十五部分(美国)和ARIB std-t-66(日本)2） 低功耗主动模式RX(CPU 空闲):24 mA在主动模式1dbm TX(CPU):29ma-电源模式1(4秒唤醒):0.2毫安供电模式2(睡眠定时器运行):1 A供电模式3(

23、外部中断):0.4 A宽电源电压范围(2 V3.6 V)3）微控制器优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051 微控制器内核可编程Flash存储器在- 32 -,64 -,或128-kb- 8KB内存,以保持各种供电方式的数据的能力支持硬件调试4）外设强大的5 通道DMAIEEE 802.5.4 MAC定时器,通用定时器(一个16位定时器,两个8位定时器)-IR 发生电路具有捕获功能的32-kHz 睡眠定时器硬件支持CSMA/CA支持精确的数字化RSSI/LQI电池监视器和温度传感器具有8 路输入和可配置分辨率的12 位ADCAES 安全协处理器- 2强的USART支持多种串行通信协议- 2

24、1个通用输入/输出引脚(19×4×2×20)看门狗定时器图3.1 CC2530硬件图图3.1.1 CC2530结构图该数据采集模块的主要芯片(协调员)和湿度传感器模块(终端设备)是TI的CC2530。CC2530是一个真正的片上系统(SoC)公司的解决方案,降低成本,提高性能,满足低功耗要求的基于ZigBee技术的2.4 GHz ISM波段应用。考虑到湿度传感器模块的工作原理,我们需要将采集到的温湿度信息和时间信息,所以我们将外部FLASH芯片st-m25pe16和时钟芯片s35190a。在天线设计,TI的参考设计中采用倒F天线。TMP102ST_M25PE16P

25、CB 天线JTAGCC2530S35190APOWER图3.2湿度传感器模块硬件框图3.2数据汇聚模块（协调器）数据融合模块主要由CC2530串口电平转换芯片MAX232。CC2530是主要负责发送和接收数据。时钟芯片主要负责提供湿度数据的时间信息。对于主机和湿度传感器模块,数据采集模块是透明的,只负责主机通过无线方式发送到湿度传感器模块的命令; 有湿度传感器模块上传的湿度数据及时信息以一定的格式发送到主机。图3.3.1 CC2530核心原理图图3.3.2 CC2530核心原理图图3.3.3 终端节点电路原理图第四章【操作流程】本系统使用的开发环境是IAR7.51,所使用的协议栈是Z-Stac

26、k-2.3.0-1.4.0 Ti。该系统通过串口RS232将协调器连接到主机(PC)上。将湿度传感器添加到由数据采集模块组成的网络中,工作模式可配置为静态模式(设置湿度传感器采集速率,传感器采集湿度数据)，直接发送后 到上位机显示，无需存储），监控区域内的湿度传感器可通过人机交互实时采集和监控。如要温湿度传感器要进行动态湿度采集，在一个简单的配置(湿度传感器的获取率,湿度采集的开始时间)之后,传感器模块进入动态模式。传感器模块处于动态工作模式。可以暂时离开网络覆盖的数据聚合模块进行移动数据采集。当采集过程结束后,湿度传感器数据汇聚模块返回到网络覆盖区域,并通过主机监控接口发送数据上传指令,以保

27、存存储在flash中的时间信息(开始时间、每次湿度和湿度湿度),根据时间顺序将数据上传到主机。通过这些数据,主机监控界面可以绘制历史图。4.1【检测流程】ZigBee湿度检测技术在硬件方面用的是CC2530芯片和SHT11温湿度传感器，CC2530芯片尺寸小、容量高、距离长，有利于构建ZigBee无线传感网络。 SHT11温湿度传感器（1）集成温湿度传感器、信号放大与调理、A/D转换和I2C总线接口到芯片上；（2）给出全校准相对湿度和温度值的输出；（3）带有工业标准的I2C总线数字输出接口；（4）计算露点值的输出函数；（5）湿度值输出分辨率为14位,温度输出分辨率为12位,可编程为12位和8位

28、；（6）小体积7.65×5.08×23.5mm可以安装在表面；（7）具有可靠的CRC数据传输校验功能；（8）内部加载的校准系数可以保证100%的互换性；（9）电源电压范围为2.4 5.5V;4.1.1 SHT11引脚和功能SHT11采用表面贴片封装,其内部结构图如图所示。GNDDATASCK温度传感器湿度传感器放大器标定存储A/D转换I2C总线接口VCC图4.1 SHT11内部结构框图由图可知，温湿度传感器所采集到的信息通过内部放大器放大，然后经过模数转换和I2C总线接口处理，输出I2C总线串行数字信号。标定存储为标准数据存储器。SHT11引脚说明如表2所示。表2 SHT1

29、x引脚说明名称注释GND地DATA串行数据，双向SCL串行时钟，输入VDD供电2.4-5.5V4.2上位机（PC机）监控界面监控界面如图4.2所示,它是由VS2005软件。它从串口接收数据,并设置串口号和波特率,显示历史湿度曲线。串口配置:波特率38400,数据位8位,无奇偶校验,1位停止位。波特率设定后,可接收网络中湿度传感器模块的网络地址、湿度信息和上传时间。主机接收到的信息将被处理成数据库。然后从数据库中读出，根据时间信息，绘制一条历史曲线。 图4.2 上位机（PC机）监控界面 在操作系统时，系统协调器节点上电初始化，并且自动组建ZigBee网络，等待终端节点的加入；任意一个终端节点上初

30、始化之后，会自动查找并加入ZigBee网络，并且将自己的物理地址传送给协调器节点，协调器节点从串口接收到终端节点地址并且发送给PC机保存，PC机可以随时获取任意终端节点的数据。上位机只需要结束相应的物理地址和终端节点发送测试指令,协调器通过串口接收目标节点的物理地址,并发送数据,将测量指令,终端节点接收到的无线网络测量指令,由传感器与测得的数据,然后将测量结果发送到协调器节点,最后显示在PC端的测量结果。图4.34.3【信息采集流程】终端节点收到协调器节点的采集命令后，将湿度传感器定期采集的湿度数据进行预处理，然后在显示屏上显示信息并通过无线网络与协调器节点进行通信。显示屏 湿度信号 SHT1

31、1湿度信号串行总线无线通讯终端节点协调器节点图4.3协调器节点流程：节点上电PC机硬件及协议栈初始化是都成功接收YN选择信道并组建ZigBee网络接收数据N是否组网成功为终端节点分配网络数据YY是否有加入申请允许终端节点加入N 图4.3.1在协调节点处于供电状态后,首先对硬件和协议栈进行初始化,对信道进行搜索,选择信道,建立ZigBee网络。当一个节点加入网络时,它允许连接和分配一个网络地址,等待命令来收集数据,然后通过串口通信将所有的数据包发送到PC机,以便更容易地进行数据传输和存储。第五章【结论】5.1 总结本章主要介绍无线多点湿度采集系统在短距离无线数据采集中的应用。该系统以CC2530作为主控芯片,TI的Z-Stack协议栈,采用RS232串行接口标准实现多点温湿度