基于传感网的室内能量测控节点设计

毕 业 设 计题目：基于传感网的室内能量测控节点设计 北京联合大学 毕业设计I摘要本文完成了基于传感网的室内能量测控节点的设计，其中主要包括四个模块：传感器模块、处理器模块、无线通信模块以及电源模块。本文首先对无线传感网和ZigBee 技术进行了介绍，然后对传感器节点的设计以及实现方案进行了介绍，其次介绍了如何实现传感器节点的智能化、传感器节点的的无线通信设计、传感器的软硬件设计以及传感器节点的通信数据结构。实现方案：本文设计采用 ADE7755 对用电器的用电量进行采集，用红外传感器BS-810W 对室内人体进行探测，然后将采集到的数据传输至主芯片 CC2530，主要芯片中的处理器对数据进行处理，若数据显示室内无人，处理器则控制继电器电路断开空调等类似用电器，从而达到节能的效果，同时将数据发送至服务端，用户可决定是否调节室内的其他用电器，若室内有人，处理器则直接将数据发送至用户端，用户可对室内用电器进行随意调节，为了实现传感器节点的智能化本文设计简化的TEDS(Transducer Electronic Datasheet，变送器电子数据表格） ，为实现数据的有效传输本文设计的数据都采用预先设定好的帧格式进行传输。由于传感器节点分布的范围较广而且易受场合供电影响，所以本设计采用普通的 7 号电池供电。关键字：无线传感器网络，传感器节点，能量测控，ZigBee北京联合大学 毕业设计IIAbstractCompleted the design of the control node indoor sensor network energy, which includes four modules: sensor module, the processor module, the wireless communication module and power module. This article first introduced the wireless sensor network and ZigBee technology, and then introduced the design of the sensor nodes, as well as programs were introduced, followed by the wireless sensor nodes, intelligent, sensor nodes wireless communication design soft sensors hardware design, sensor nodes communicate data structure.Implementation: This paper designs using ADE7755 the electricity consumption of appliances for the collection, indoor human detection using infrared sensors BS-810W, and then collected the data transmission to the main chip CC2530, in the main chip processor to process data，if data show no person in the room, the processor controls the relay circuit to disconnect the air conditioning and similar electrical appliances, so as to achieve the effect of energy saving at the same time to send data to the service side, the user can decide whether to adjust the indoor appliances, if there are somebody indoor, the processor directly sends the data to the client, users can use electrical appliances for indoor free to adjust, in order to Realize the intelligent of the node, the design of intelligent sensor nodes to simplify the TEDS (Transducer Electronic Datasheet, transmitters of electronic data table) , the design of effective data transmission data using a predetermined frame format for transmission. A wide range of sensor node distribution and vulnerable situations powered, so the design on the 7th ordinary battery-powered.Keywords: wireless sensor networks, sensor nodes, energy monitoring and control, ZigBee北京联合大学 毕业设计III目录摘要 .IAbstract.I引言 .11.1 无线传感器网络（WSN）的现状 .11.2 发展前景 .32 智能传感器网络 .42.1 无线传感器网络 .422 传感器节点简介 .42.3 无线传感器网络主芯片 .43 Z i gBee 技术 .731 ZigBee 技术的发展 .732 Zi gBee 与其它无线通信技术比较 .833 Z i gBee 协议体系结构 .934 Z i gBee 的网络拓扑 .114 无线传感器节点设计方案与实现 .134.1 传感器节点总体设计方案 .134.1.1 总体设计目标 .134.1.2 节点设计方案 .144.1.3 开发平台 .154.2 传感器节点智能化设计与实现 .164.2.1 传感器节点设计思路 .164.2.2 TEDS 数据结构设计 .174.2.3 TEDS 数据结构实现 .204.2.4 传感器的入网识别 .204.3 传感器节点无线通信设计 .20北京联合大学 毕业设计IV4.3.1 设计思路 .204.3.2 通信协议数据结构的设计 .214.4 传感器节点硬件设计与实现 .234.4.1 硬件系统构成 .234.4.2 传感器前端设计 .244.4.3 继电器驱动电路 .294.4.4 电源模块设计 .304.5 传感器节点的软件设计与实现 .304.5.1 软件系统的构成 .304.5.2 主流程设计 .304.5.3 控制模块设计 .324.5.4 数据采集模块设计 .33结论 .34致谢 .35参考文献 .35北京联合大学 毕业设计1引言近几年国内外掀起了一股无线传感器网络研究的热潮，研究以及现实案例都指出无线传感器网络在将来的发展当中有着非常广阔的应用前景，是现代信息技术中的一个新的发展领域，被认为是 21 世纪最重要的技术之一，它是由大量部署在监测区域的传感器节点相互连接，可以对监测区域的各种物理量进行采集，同时具备对采集到数据进行处理的能力。并且将采集到的数据传送给终端用户。无线传感器网络改变了人与人之间的交互方式，将物理世界与逻辑上的信息事件相融合在一起，它在农业、交通、空间探测、军事、安全、工业、医疗等众多领域都有着广泛的应用。无线传感器网络的应用价值巨大已经引起了包括中国在内的国际上的普遍重视，无线传感器网络作为一个新兴的研究领域在基础理论和工程技术两个方向科技工作者提出了挑战性的研究课题，已经成为非常重要的新研究领域。无线传感器网络应用于室内能量测控可以带来非常巨大的社会效益，同时对世界环保也将做出非常巨大的贡献。同时节约资源和保护环境是我国的基本国策，建设节约型社会是我国经济和社会发展的一项战略任务。建设节能型社会，促进经济可持续性发展，是实现全面小康社会宏伟目标，构建和谐社会的重要基础保障。北京联合大学 毕业设计21 绪论1.1 无线传感器网络（WSN）的现状无线传感器网络的起步在 20 世纪 90 年代，从面世以来即引起了各国的军事部门、工业界和学术界等领域的关注。随着无线传感器网络研究的深入，它正在逐渐深入到人类生活的各个应用领域。传感器网络的研究主要的成就表现在军事领域，例如：美国军方在该领域实施了一系列的项目，而且取得的成果也较为多，在此期间美国军方推动了多个项目的研究，主要包括加州大学洛杉矶分校和 Rockwell 研究中心的 WINS（wireless Integrated Network Sensors,无线集成传感器）项目、加州伯克利分校的 Smart Dust 项目和随后启动的 NEST 项目。此外，美国海军提出的协同作战能力系统，通过舰载或者机载雷达传感器构成的立体监测网络可以使测量的精确度得到很大的提高而且能够迅速、高效率的识别以及跟踪作战环境下的地方目标，美国陆军军方的无人地面无线传感器网络项目，由 REMBASS（remote Battlefield sensor system,远程战场传感器系统）以及 TRSS（Tactical Remote Sensor System,战术远程传感器系统）组成，主要的目的是根据作战需要将无线传感器节点随意的部署在任意区域，从而起到监控战场以及扩展军队视野的效果。21 世纪初期，美国国防部先进研究项目局提出了C4KISR（conmmand control communications computers kilt,intelligence,surveillance,reconnaissance）概念，主要的目标是整合各网络平台的，使其对战场的情报获取能力以及信息的处理能力有较大的提高，其目的主要是能够缩短战场中各个环节的时间延迟，而且无线传感器网络是该系统研究必不可少的研究领域。随后，美国国防部先进研究项目局启动了 SensIT(Sensor Information Technology，传感器信息技术 )项目，主要的研究项目是可应用在战场环境中以 Ad-Hoc 形式快速部署，可以适应于环境高度变化的网络技术，以及能够快速，准确而且可靠的网络信息的处理能力，建立一个极为廉价而且无处不在的网络系统。从2001 年开始，美国陆军实施“灵巧传感器网络项目”的主要思想是在战场中部署极多的无线传感器节点用以收集以及传输信息，并且对原始的测量数据进行选择，再把有利用价值的信息传输至各个数据中心从而使军方得到战场的全景图，从而提高对作战战场的掌握程度。2002 年 5 月，美国 Sandia 国家实验室与美国能源部携手，共同研发能够在在发生危害之前就对攻击地铁、火车等人口密集地区的生化武器进行识别，从而能够将灾难消灭在萌芽时期。这个项目数据美国反恐部署中一个极为重要的步骤，该系统装有检测有毒气体的传感器。而且安装引导游客避难的广播，并封闭有关触控等。该系统除了可以在地区监管中心进行监视外而且还可以通过网北京联合大学 毕业设计3络进行远程的监视。在民用以及工业生产领域，ALERT 系统通过配备多种传感器节点对降雨量、土壤水分以及河水水位进行采集，并根据采集到的数据预测山洪；SSIM 旨在研制可植入人眼的，由上百个微型传感器节点组成的人工视网膜芯片来帮助弱视者以及失明者。在美国国家基金委员会以及 HP 等公司的资助之下，乔治工学院进行了 AHRI项目的研究，旨在研究在室内安装居民需求的传感器节点。美国国防部在 1995 年提出了“国家智能交通系统项目规划” ，预计到 2025 年全面投入使用。目前，国际上对无线传感器网络的研究极为热门。无线传感器网络涉及嵌入式技术、分布式信息技术、网络通信技术、软件编程技术、微电子制造技术、等多科学交叉的研究领域，是一个典型的跨学科研究方向。美国几乎所有的高等学府都有人员在研究无线传感器网络技术，加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了传感器网络的研究。我国同样在这个领域展开了较为深入的研究，同时也得到了政府以及高校的普遍重视。早在 2005 年，我国的神舟六号飞船上就已经配备了各种传感器节点，其作用是对飞行器的各种状态进行多方位的检测，而在太空服中同样嵌入了很多传感器节点对宇航员的身体状况进行检测，它们是宇航员和飞船能够安全返回的重要因素。在我国未来 20 年预见技术的调查报告中，在有关信息技术方面的多项课题中有 7 项是直接和无线传感器网络相关的。2006 年年初国务院发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年） 为信息技术定义了 3 个前沿方向，其中直接与无线传感器网络相关的研究有两个，分别为智能感知技术和自组织网络技术。无线传感器网络具有极其巨大的发展和应用前景无，它的出现实现了整个世界对它的关注，目前无线传感器网络离大规模实际应用还有一定的距离，积极地研究无线传感器网络及其相关技术和应用十分迫切。1.2 发展前景无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、医疗、环境等传统的领域中具有非常大的应用价值而且在未来许多新兴的领域中也有其优越性，例如在家用电器、交通或者是保健等领域。我们可以大胆的预见，在将来的世界中无线传感器网络将会无处不在，将会完完全全的融入到我们的日常生活当中，例如微型传感器网络最终可能将家用电、个人电脑或者是其他的日常用品用网络互相连接起来，实现远距离的跟踪，甚至家庭将采用传感器网络来负责家庭的安全保障。无线传感器网络在未来将是一个无孔不入的十分庞大的网络，它的应用范围甚至可以到达我们生活中的每一个角落，但是就目前而言无线传感器网络才刚刚发展，其技术与应用都还不是非常成熟，不过可以预见随着人们对无线传感器网络的重要北京联合大学 毕业设计4性认识的更深，其技术将会得到重大的突破。北京联合大学 毕业设计52 智能传感器网络2.1 无线传感器网络无线传感器网络是一种特殊的 Ad-Hoc 网络，是集数据采集、数据处理、数据