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本科毕业设计--基于wsn的地铁车站温度数据采集系统设计.doc
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基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计
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摘 要
如今,在中国掀起了地铁项目建设的高潮,地铁作为方便快捷,时尚绿色的交通
方式,已经成为了诸多市民出行的第一选择。民心所向,地铁项目在中国遍地开花结
果。这就需要对地铁环境的安全性提出了较高的要求。其中尤为重要的一项是地铁站
的温度检测和火灾报警。以往的温度数据的采集往往靠有线的设备,不仅布线繁琐,
工作量大,而且信号在远距离传输的过程中易受其它电子设备的干扰,自身也存在着
信号的衰减,增加了信号处理的难度。随着无线通信的快速发展,无线产品如雨后春
笋般迅速增加,因此,利用无线的通信模块来实现数据的传输必将成为新的发展趋势。
本设计是基于 ZigBee 的地铁站温度检测系统,利用无线射频网络 ZigBee 技术构
架起树簇型网络。通过 ZigBee 终端上安装数字式温度传感器 DS18B20 进行温度采集,
然后通过无线网络发送给上位机,以供检测。
本设计重点介绍了温度传感器终端的设计,并详细分析了基于 ZigBee 技术的树
簇状网络的构建及上位机显示设计。并通过搭建实验平台,对地铁站温度实现了采集,
完成了基于 ZigBee 的地铁站温度检测系统的设计。
关键词:ZigBee 技术,温度检测,DS18B20,无线通信
基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计
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Abstract
Nowadays,there are so many subway projects being constructed in so many cities in
China. It is so fast,convenient and fashionable that take the subway has became the first
choice of many people travel.However,it requires high requirements for the security of the
subway environment.
What is particularly important in a subway station is the temperature detection and
fire alarm. In the past, temperature data collection often rely on a wired device, which
means not only cumbersome wiring and a heavy workload,but also signal susceptible to
interference from other electronic devices in the process of long-distance transmission with
the signal attenuation, thus increase the difficulty of signal processing.
With the rapid development of wireless communication,wireless products
increased.Wireless communication module for data transmission will become the new
trends.
The design is a subway station temperature detection system based on
ZigBee.Setting up a radio frequency network using ZigBee technology to form the
framework of the tree cluster network.Install a digital temperature sensor DS18B20 to
collect temperature data by ZigBee terminal,then sent to the host computer through a
wireless network.
The design focuses on the design of the temperature sensor terminal and a detailed
analysis based on ZigBee technology tree clustered network and PC display
design.Through building the experimental platform and collecting the temperature of the
subway station, ZigBee-based temperature sensing system of the subway station design has
been completed.
Keyword : ZigBee technology , Temperature detection , DS18B20 , Wireless
communications
基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计
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目 录
第一章 绪 论...........................................................................................................................................1
1.1 课题研究的背景和意义.............................................................................................................1
1.1.1 地铁温度检测系统的发展现状.....................................................................................1
1.1.2 课题研究的意义.............................................................................................................1
1.2 无线传感器网络研究综述.........................................................................................................1
1.2.1 无线传感器网络概述.....................................................................................................1
1.2.2 无线传感器网络的特点.................................................................................................2
1.2.3 无线传感器的研究现状及应用.....................................................................................3
1.3 论文结构与研究内容.................................................................................................................4
第二章 ZigBee 技术的基础 ......................................................................................................................5
2.1 ZigBee 技术概述 ..........................................................................................................................5
2.2 ZigBee 技术优点 ..........................................................................................................................5
2.3 ZigBee 协议栈结构 ......................................................................................................................6
2.4 ZigBee 网络设备类型 ..................................................................................................................8
2.5 ZigBee 网络拓扑结构 ..................................................................................................................8
2.6 ZigBee 技术应用前景 ..................................................................................................................9
第三章 温度传感器终端设计.................................................................................................................11
3.1 温度传感器终端设计的基本原则............................................................................................11
3.2 温度传感器终端总体设计方案................................................................................................11
3.3 终端硬件设计............................................................................................................................12
3.3.1 射频收发芯片.................................................................................................................12
3.3.2 温度采集芯片 DS18B20 介绍 .....................................................................................14
3.3.3 协调器节点的硬件设计.................................................................................................16
3.3.4 传感器节点的硬件设计.................................................................................................16
3.3.5 上位机与协调器节点硬件电路设计.............................................................................17
3.3.6 系统电源设计.................................................................................................................18
3.4 系统软件设计............................................................................................................................18
第四章 地铁站温度检测系统的实现.....................................................................................................22
4.1 总体方案设计............................................................................................................................22
4.2 下位机软件程序的开发............................................................................................................23
4.3 上位机程序设计.........................................................................................................................24
4.3.1 计算机串口驱动程序......................................................................................................24
4.3.2 数据的实时显示..............................................................................................................24
4.3.3 数据存储和历史数据的查看..........................................................................................25
4.4 无线网络的组建与数据传输....................................................................................................25
4.4.1 树簇网组网设计.............................................................................................................25
4.4.2 终端设备入网设计.........................................................................................................27
4.4.3 数据传输设计.................................................................................................................28
4.5 网络节点程序的开发.................................................................................................................29
4.5.1 备初始化程序..................................................................................................................31
4.5.2 汇聚节点的组网..............................................................................................................32
第五章 地铁站温度检测系统的仿真.....................................................................................................33
5.1 实验平台的建立........................................................................................................................33
5.2 测试结果分析............................................................................................................................33
总结与展望...............................................................................................................................................35
参考文献...................................................................................................................................................36
基于 WSN 的地铁车站温度数据采集系统设计
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第一章 绪 论
1.1 课题研究的背景和意义
1.1.1 地铁温度检测系统的发展现状
现有的火灾报警系统,多采用有线技术进行火灾传感网络的组建。这类方案的特
点是扩展性能差,布线繁琐,影响美观。由于采用硬线连接,线路容易老化或遭到腐
蚀、鼠咬、磨损,故障发生率较高,误报警率高。无线传输方式构建的无线火灾传感
器网络恰好可以避免这些问题。相对而言,无线的方式比较灵活,避免了重新布线,
不再需要将网络的基础设施掩埋在地下或隐藏在墙里,无线网络可以适应移动或变化
的需要;但是,无线通信技术在火灾监控领域的应用相对还是很少。这主要是因为目
前没有一项无线通信技术适合在火灾监控领域进行广泛的推广,而且现有一些无线通
信产品的价格偏高,导致无线通信技术在火灾监控中的应用停滞不前。
1.1.2 课题研究的意义
从 21 世纪开始,无线传感器网络引起了学术界、军界、工业界的极大关注,世界
各国相继启动了关于无线传感器网络的研究计划,其应用领域也扩充到我们日常生活
的各个角落,无线传感器网络的发展和广泛应用,已对人们的社会生活产业变革带来
极大的影响并产生巨大的推动。它的一个重要优势是摆脱了传统传感器网络的连线限
制,解决了成本问题,通过传感器技术微处理器技术和无线通信技术的融合,大大缩短
了人和自然之间的距离。
随着近年来人类在微电子机械系统、无线通信、数字电子方面取得的巨大成就,
使得发展低成本、低功耗、小体积、短距离无线通信的多功能传感器成为可能。
ZigBee
技术的出现就解决了这些问题。将无线
ZigBee
传感器网络和人工智能结合,可以大大
提高火灾报警系统的可靠性。正是由于
ZigBee
技术具有功耗极低、系统简单、组网方
式灵活、成本低、等待时间短等性能,相对于其他无线网络技术,它更适合于组建大
范围的无线火灾探测器网络。
1.2 无线传感器网络研究综述
1.2.1 无线传感器网络概述
无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络,可应用于布线和电源供给困难的区域、
人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如
发生自然灾害时,固定通信网络被破坏)等。它不需要固定网络支持,具有快速展开,
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