ZigBee无线传感器网络及其在重大危险源监控系统中的应用研究

发布时间：2016-08-31 13:06

  本文关键词：具有多种通信方式的无线传感器网络网关，由笔耕文化传播整理发布。

《兰州理工大学》 2010年

ZigBee无线传感器网络及其在重大危险源监控系统中的应用研究

李泉  

【摘要】： 无线传感器网络系统综合了传感器技术,嵌入式技术,计算机技术,分布式信息处理技术和通信技术,能够协作的实时地监测,感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽准确的信息,传送到需要这些信息的用户,是当今前沿性的热点研究方向之一。 IEEE 802.15.4/ZigBee协议是由IEEE 802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee联盟开发的网络和应用支持层所组成的,其特点是稳定并能自我修复、支援大量网络节点、传输可靠、超长电池寿命、安全、便宜、全球通用等。 近几年来,在石化和煤炭行业频繁发生爆炸和火灾事故,给人们带来了众多悲恸和遗憾。由事故数据分析得到易燃易爆,有毒有害气体导致事故率颇高,需要对这些气体和危险源加强监控。目前,大部分煤炭或化工行业对危险源的监控采用有线系统,维护困难,布线不便,二次开发成本高。针对重大危险源监控的这种现状,分析了危险源监控系统需求,提出了一种提出了一种基于ZigBee技术的危险源监控系统方案。以无线数据采集和传输代替传统有线数据采集和传输,改善并提高传统有线监控的局限性,为后续子系统提供方便可靠的数据传输链路。讨论并给出了适合无线监控系统的拓扑结构,采集网络,传感器选择及上位机需求。 论文全面深入地对ZigBee协议做了研究分析,包括协议栈框架结构,协议栈网络结构,协议栈API函数等。重点对ZigBee网络的组网过程和路由做了深入研究,并总结使用协议栈的方法。对危险源监控系统,给出了该系统的软硬件构成及详细电路,包括网关,路由及终端。讨论了网络的建立与保持、设备入网,以及ZigBee路由,功耗等。开发了上位机的管理系统,完成了数据采集与整合处理,实时数据波形显示,采集网络拓扑查询,火灾识别等功能。 文章最后,测试了节点通信,演示了组网过程,验证了路由及地址分配机制。结合上位机运行,实现远程监控和数据采集及处理。

【关键词】：
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TN929.5;TP277
【目录】：

摘要8-9

Abstract9-11

插图索引11-13

附表索引13-14

第一章 绪论14-19

1.1 引言14

1.2 课题研究的背景14-15

1.3 危险源监控国内外的发展情况15-16

1.4 无线传感器网络的发展16-18

1.5 将ZigBee技术应用于危险源监控系统中的意义18

1.6 论文的主要内容18-19

第二章 ZigBee技术研究19-35

2.1 概述19-20

2.2 ZigBee协议栈分析20-25

2.2.1 协议栈框架结构20-22

2.2.2 协议栈实现过程22-25

2.3 ZigBee网络设备类型25-26

2.3.1 全功能设备(FFD)25-26

2.3.2 精简功能设备(RFD)26

2.4 网络中的三种角色26-30

2.4.1 协调器(Coordinator)26

2.4.2 路由器(Router)26-27

2.4.3 终端设备(End-Device)27

2.4.4 ZigBee网络拓扑27-30

2.4.5 设备类型与网络拓扑之间的关系30

2.5 网络地址分配与寻址30-32

2.6 无线传感器路由研究32-33

2.7 Zigbee组网与入网过程33-34

2.8 本章小结34-35

第三章 危险源监控系统方案设计35-44

3.1 引言35

3.2 需求分析35-36

3.3 设计原则36

3.4 框架设计36-38

3.5 系统组成38-39

3.6 采集网络39-41

3.7 传感器的选择41-42

3.8 核心处理器和协议的选择42-43

3.8.1 CC2430芯片的主要特点42

3.8.2 ZigBee协议42-43

3.9 上位机功能设计43

3.10 本章小结43-44

第四章 系统硬件设计44-60

4.1 网关节点44-54

4.1.1 硬件框图与硬件电路44-47

4.1.2 CC2430介绍47-48

4.1.3 硬件模块48-54

4.2 路由节点和终端节点54-59

4.2.1 路由节点和终端节点硬件电路55

4.2.2 传感器模块55-59

4.3 协调器节点59

4.4 本章小结59-60

第五章 系统软件设计60-73

5.1 系统总体软件结构60

5.2 开发平台60-61

5.3 网关节点软件设计61-64

5.3.1 网关设备节点加入网络流程61-62

5.3.2 网关与上位机通信62-64

5.4 路由和终端节点软件设计64-65

5.4.1 路由和终端设备节点加入网路流程64-65

5.4.2 路由与路由,路由与网关,路由与节点之间的通信65

5.5 网络参数设定65-66

5.6 数据采集程序设计66-67

5.6.1 节点温度采集66

5.6.2 节点电压采集66

5.6.3 传感器数据数字滤波设计66-67

5.7 节点低功耗设计67-69

5.8 任务添加69

5.9 上位机软件设计69-72

5.9.1 整体界面70

5.9.2 功能简述70-72

5.10 BP神经网络72

5.11 本章小结72-73

第六章 系统测试73-81

6.1 系统测试73-80

6.1.1 硬件运行测试73

6.1.2 点对点大流量通讯测试73-74

6.1.3 系统多点通讯丢包测试74-75

6.1.4 上位机运行测试75-76

6.1.5 系统组网测试76-77

6.1.6 数据采集测试77-78

6.1.7 节点失电测试78-79

6.1.8 节点位置发生改变测试79-80

6.2 本章小结80-81

第七章 总结与展望81-83

7.1 工作总结81

7.2 展望81-83

参考文献83-87

致谢87-88

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录88

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