无线温湿度传感器网络节点和网关研究与硬件设计.doc

《无线温湿度传感器网络节点和网关研究与硬件设计》 课程设计实验报告 2011年6月26号 无线温湿度传感器网络节点和网关研究与硬件设计 引言 随着传感器技术、嵌入式技术以及通信和半导体技术的飞速发展，传感器信息获取技术从单一化到集成化、微型化，进而智能化、网络化，形成智能传感器网络。并且随着无线网络的发展，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的无线传感器网络技术也应运而生。目前新兴的现场参数无线检测装置大都是基于该技术设计的。 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由一组微型传感器节点以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网路覆盖地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者. 无线传感器网络广泛应用于军事、环境、楼宇控制、保健、交通等领域。随着无线传感器网络技术在各领域越来越广泛的应用，在尽量节省系统能量消耗、尽量节省信息处理及简易信号收发等方面，对无线通信技术也提出了更高、更新的要求。ZigBee(紫蜂)技术就是在这种背景下产生的。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、高可靠性、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程监控等领域，可以嵌入到各种设备中。自从2004年12月，ZigBee规范正式公布之后，短短几年时间，ZigBee技术就以其低成本、低功耗、网络容量大、传输时延短和可靠性高等特点，在工业检测、智能家居、楼字自动化、环境监测等领域得到广泛应用。 由传感器和ZigBee装置构成的ZigBee无线传感器监控网络，可自动采集、分析和处理各个节点的数据，同时，ZigBee技术的网络扩展能力很强，理论上，一个ZigBee网络可容纳65536个节点，适合于各种需要数据自动采集并要求网络传输的领域，具有极其广阔的应用领域和很高的研究价值。考虑到ZigBee技术的这些特点，本文在构建无线温湿度传感器网络时，采用ZigBee作为组建网络的无线通信协议。 到目前为止无线传感器网络的发展己经经历了三个阶段： (1) 点对点。只是简单取代了有线网络，各个设备之间只是直接联系，只有有限通信能力。 (2) 点对多点。传感器网络中有一个路由和控制的中央节点，所有数据流动必须通过基站。 (3) 多跳／网状结构。完全的RF冗余，具有多数据通道，自我建构，自我调整，智能分布式。 本文以无线温湿度传感器网络结点和网关结点的研究与设计为主线,从而介绍无线传感器网络、ZigBee无线通信技术的基本概念。由于时间有限，重点以无线温湿度传感器网络的两个结点的硬件原理设计为主，进而对无线传感器网络的建立与保持、设备入网流程、ZigBee组网技术做一些理论上的介绍。无线传感器网张的结构与特点，硬件选择与设计，组网协议与GPRS通信介绍是本文的一个总体框架。 关键字：无线传感器网络 、传感器结点、网关结点、sht11温湿度传感器、CC2430无线射频单片机 、ARM嵌入式技术、GPRS无线模块。 第一章 无线传感器网络 1．1 无线传感器网络结构 无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、网关节点(sink node) 和任务管理节点。大量传感器节点通过飞行器撒播、人工埋置或火箭弹射等方式随机部 署在监测区域内部或附近，通过自组织方式构成网络。无线传感器网络结构如下图1．1 所示。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测 数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过Intemet、卫星或GSM 等通信方式到达任务管理节点。用户通过任务管理节点对传感器网络进行配置和管理， 发布监测任务以及收集监测数据。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相 对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网 络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节 点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。 目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。 无线传感器网络中的传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无线收发模块和能量供应模块组成（如图1－2）。数据采集单元负责信息的采集和数据转换；数据处理单元控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线传输单元负责与其他传感器节点进行无线通信；电源供给单元为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用小型便携式电池供