基于无线传感器网络的家居环境检测与控制系统设计___论文Word文件下载.docx
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日期:
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指导教师签名:
桂林理工大学本科毕业设计
·
论文
摘 要
由于各种现代化信息技术的迅猛发展、进步和提高,及人们的生活水平的提高和需要,也对我们所居住的环境要求有所提高。
健康、优美、舒适、无污染的生活环境是人们理想是居住环境。
最近这几年,人类在信息技术上得到了快速发展,也使得有线无线通信技术有了前所未有的突破,技术的成熟是降低成本的基础,由于无线通信技术具有安装简单、无需布线、低功耗、经济实用等特点,因此,本文为此而设计了设计一个基于ZigBee无线通信技术和传感器技术的环境检测及防盗自动控制系统,以实现对人们家居工作生活环境温湿度的测量监控及防盗功能。
实时准确地监控家庭周围环境参数及防盗安全,供PC判断以确保我们的居住环境的健康平衡性可以最大程度的减少人们因为长时间或者不知觉的情况下在受污染的居住环境而生病且防盗人体传感器又可以提高我们的居住安全感。
本次设计采用以TI公司的CC2530微芯片的ZigBee无线传感器网络技术为核心,它可以自行组网,各个节点可以设为协调器、路由器和终端,可以根据各自的需要来设定。
本次设计将节点其终端与传感器节点接温湿度传感器、人体传感器、和烟雾传感器连接采集信号参数,然后通过无线通信传输数据信号,将采集多个(3点)节点信号然后发送到协调器,再通过串口通信法给PC机给上位机出来数据。
由用C#语言在VS2012环境下编写的上位机处理数据并决策该附近环境参数的变化来提示是否符合环境居住和家产是否被盗。
实现对家庭环境的实时监测,实时为用户提供可靠并且全面的环境信息。
关键词:
ZigBee;
无线传感器网络技术;
环境检测;
防盗;
实时监测;
VS2012
III
InspectandControltheHouseholdEnvironmentBasedonWirelessSensorNetwork
Student:
LUYin-Long Teacher:
DENGYun
Abstract:
Becauseoftherapiddevelopmentofmoderninformationtechnology,progressandimprove,andtheimprovementofpeople'
slivingstandardandneed,alsoforourliving
environmentrequiresincreased.Healthy,beautifulandcomfortablelivingenvironment,nopollutionistheideallivingenvironment.Inrecentyears,thehumanhasbeenrapiddevelopmentininformationtechnology,italsomakesiteasiertocableandwirelesscommunicationtechnologyhasanunprecedentedbreakthrough,maturetechnologyisthebasisoflowercosts,becausethewirelesscommunicationtechnologyhassimpleinstallation,nowiring,lowpowerconsumption,economicalandpracticalcharacteristics,therefore,thispaperdesignedforthispurposetodesignabasedonZigBeewirelesscommunicationtechnologyandsensortechnologyofenvironmentaldetectionandanti-theftautomaticcontrolsystem,inordertorealizethehouseholdworklifeofpeoplethemeasurementofenvironmentaltemperatureandhumiditymonitoringandanti-theftfunction.Real-timemonitoringaccuratelyfamilyenvironmentparametersandanti-theftsecurity,forPCjudgmenttoensurethatourlivingenvironmenthealthbalancecanreducepeopletoagreatextentbecauseoflongtimeorwithoutconsciousnessinpollutedresidentialenvironmentandsickandanti-thefthumanbodysensorandcanimproveour livingsecurity.ThisdesignbasedonTIcompany’sCC2530microchipZigBeewirelesssensornetworktechnologyasthecore,itcanonitsownnetwork,eachnodecanbesetasthecoordinator,routersandterminal,canbesetaccordingtotheirownneeds.Thedesignwillleadtoanodeoftheterminalsandsensornodetemperatureandhumiditysensor,thehumanbodysensor,andthesmokesensorconnectionacquisitionsignalparameters,thenthroughwirelessdatatransmissionsignalandwillcollectmultiplesignals(3points)nodeandthensenttothecoordinator,againtoPCtoPCthroughserialcommunicationsactoutdata.Bywritteninc#languageundertheenvironmentofVS2012PCprocessingdata,anddecisionwhetherthechangeofenvironmentalparameterstopromptmeetnearthelivingenvironmentandpropertyisstolen.Torealizereal-timemonitoringofthefamilyenvironmentinrealtimetoprovideusers with reliable and comprehensive environmental information.
Keywords:
ZigBee;
Wirelesssensornetworktechnology;
Environment;
Detection;
Real-time monitorin
目 次
II
摘要 I
Abstract II
1绪言 1
1.1本设计研究的背景与意义 1
1.1.1背景 1
1.1.2意义 1
1.2国内外的发展现状及分析 1
1.3几种典型无线网络技术的介绍 2
1.3.1红外线技术数据通信 2
1.3.2wifi技术 3
1.3.3蓝牙技术 4
1.3.4超宽频技术(UWB) 5
1.3.5近距离无线传输(NFC) 5
1.3.6zigbee技术 6
1.4本文的主要研究内容和创新 6
1.4.1主要内容 7
1.4.2主要问题 7
1.4.3技术关键 7
1.4.4本文主要研究创新点 7
2家居环境监测系统设计 8
2.1系统方案论 8
2.2zigbee网络设备组成和网路结构 9
2.3系统结构 9
2.4系统各部分功能定义 10
2.4.1温湿度传感器 10
2.4.2人体红外热释放模块 11
2.4.3MQ2气体烟雾传感器 12
3系统硬件设计 12
桂林理工大学本科毕业设计 ·
3.1数据采集模块 14
3.1.1电源电路 14
3.1.2继电器电路 14
3.2协调器 15
3.3本章小结 15
4系统软件设计 15
4.1协调器的程序编程 16
4.2终端监测控制节点 18
4.3上位机程序 20
5 结论 20
致谢 21
参考文献 22
1绪言
1.1本设计研究的背景与意义
1.1.1背景
从远古时代的山顶洞人到至今的现代文明人,人类一直都在关注着自身的生活和居住条件,并想方设法努力改善和提高它。
工业革命和信息技术革命的成功及不断迅
猛发展,至今既21世纪,人类的各种现代化技术包括信息技术的通信技术、控制理论、计算机网络、互联网等都有了很大的发展,另外,随着我国改革开放以后,经济的发
展使得我们想要居住在一个舒适的家居环境中成为了现实,因为这样的生活环境可以更能让我们生活得更好、工作更愉快,身体才更健康。
因此人们有了这种想法也有需求的市场,智能家居(Smart Home)系统也就得到了快速发展以及越来越多的被人们所重视。
最近十几年,特别是人类在信息技术上的快速发展,使得各种有线无线通信技术得到了前所未有的突破,在将来,由于无线通信运用特点优势和成本降低,有线将慢慢离开技术舞台的中央,无线将代替有线家居环境监测[1]。
1.1.2意义
本论文将研究设计了一种智能家居环境监测及防盗子系统,实现对家庭环境的实时监测,实时为用户提供可靠并且全面的环境信息。
智能家居系统中一个非常重要的部分就是本文所研究的环境监测子系统。
在这个系统中,人们可以获得实时的居住环境信息,如温度和湿度、各种有害气体的浓度、火灾信息等。
同时,此系统中传感器所得到的环境安全参数可以为其它家居设备做决策参考,最终由智能家居系统实现对家庭环境的智能调节。
例如,当温度值偏低时,系统就将启动空调设备进行工作,来增高室内温度。
因此,智能家居系统为用户提供了安全、舒适、便捷生活的安全环境,从而使环境防盗监测子系统成为了智能家居系统的一个非常重要关键部分与基本环节,能否拥有一个好的智能家居系统的关键在于能否设计出好环境安全监测子系统,这对改善人们生活环境的舒适度具有非常重要的意义[2]。
1.2国内外的发展现状及分析
自从世界上第一栋智能建筑在美国出现后,尤其是1997年这年,耗时七年建成的比尔.盖茨的智能豪宅,它完玩玩全全按照智能住宅的概念建造,豪宅里面的所有的灯具、门窗、电器都是能够通过计算机来控制的出现以后,国外智能家居早已经获得长足的发展了。
他们一些知名的企业例如Samsung.IBM.Microsoft.Sony等很早就投身
1
到这一领域中来,由以前的产品种类繁多协议不同到今的较为统一的通信协议。
而且他们的家居智能化大多都是以有线网络作为家庭内部的网络为基础的标准。
他们的标准包括有美国的X—10和CEBu.欧洲的EIB.日本的HBS等。
到目前,我国的智能家居研究领域起步比较晚,还是处于萌芽的阶段。
我国的家居环境监测行业是在近些年来的各个大公司和媒体大力宣传号召下开始起步的[3],目前已经有一些前前瞻性很强的公司在从事智能家居环境系统的开发。
就目前而言,也有一些电器厂家在市场上也推出了自主的智能家居系统,类似系统的家居环境的监测中也可以得到实现相应的功能。
以上的环境监测基本都是有线技术方案,虽然有线技术可以对环境进行监测与处理,让各种监测设备之间进行连接通信,相对无线技术方案而言的优点就表现得不那么优势了。
存在以下缺点,系统布线麻烦,当你采用有线技术方案时,对各个点进行布线那将是一份复杂又庞大的工作,想想在家庭的各种点,监测器,楼宇等等,特别是是当监测对象数量较为多时,线如雨麻,而且又破外了以前装饰好的美观,不完美;
还有在安装和维护方面,在相同情况下,有线比无线成本高得多了。
例如在安装时,需要大量的电线和建筑材料,当用户需要增加节点功系统能时,必须又得重新对它布线耗时又费钱;
在系统拓展性方面也很差,主要表现在增加或者减少新的监测对象时必将要求系统具有良好的软件与硬件拓展要求,毕竟硬件是软件拓展的基础,而硬件可拓展性是有线技术方案的主要技术难点之一;
移植性较差,有线的束缚和影响,在美观上和无线比也差,不基于家居后续装修等等缺点。
1.3几种典型无线网络技术的介绍
1.3.1红外线技术数据通信
IrDA即红外数据协会,是1993年6月成立的一个国际性组织,专司制订和推进能共同使用的低成本红外数据互连标准,支持点对点的工作模式。
它也是第一种实现无线个人局域网技术。
它利用红外线来传输信号,红外线通信具有两个最突出的优点主要是由于红外线它能象可见光一样集中成很窄一束发射出去的[4] 。
主要优点是几乎不会受到天电、电气、人为干扰,抗干扰性能力强,再者就是不易被人发现和截获,保密性很强。
还有红外线通信机具有结构简单,体积小,重量轻,价格低且廉价。
红外通信技术适合于点对点、低成本、跨平台高速数据连接,特别是嵌入式系统。
它的主要应用表现在信息网关、设备互联方面。
在设备互联之后可以完实现不同设备内文件与信息之间的交换。
信息网关主要负责连接信息终端和互联网。
红外通信技术是一种无线连接技术,在世界范围内被广泛使用的。
无有害辐射,绿色产品特性:
科学实
22
验证明,红外线是一种对人体有益的光谱,所以红外线产品是一种真正的绿色产品。
此外,红外线通信还有抗干扰性强,系统安装简单,易于管理等优点。
但就目前来说它不太符合现代电子的快速发展需要,再加上其他比它特性更优的软硬技术的出现及成熟,成本也较低,它没有很大优势了。
由于它受视距的影响其传输距离短,容易受到物体的干扰,当遇到光滑的物体表面或者有墙或者其他的障碍物时,它的正常传输就受到干扰,也就不能正常工作;
还有就是要求通信设备的位置固定;
像在手机等其他移动设备时它就不能正常通信,也不灵活运用;
它的点对点的传输连接,无法灵活地组成网络等。
此外,由于红外线发射角度小、衰减快、传输距离短直,经过事实验证,一种超短距直线传输,只许是两个设备的传输口对口对准,并且中间不能存在其他障碍物的技术只适合两台设备间通信的苛刻传输条件,注定它终将会被淘汰。
1.3.2wifi技术
Wi-Fi是IEEE 802.11b 的别称,是一个名为“无线以太网相容联盟”英文名为WirelessEthernetCompatibilityAlliance(WECA)的组织所发布的业界术语,中文翻译为“无线相容认证”。
它能够在数百英尺范围内能支持互联网接入的无线电信号,是一种短程无线传输技术。
它可以将手持设备(如PDA、手机)、个人电脑等终端以无线方式相互连接的。
IEEE802.11WLAN它采用微蜂窝、微微蜂窝结构,能自主管理计算机局域网络,是支持较高数据传输速率(1~54Mbit/s)的。
其主要技术有3种:
1.正交频分复用技术OFDM:
OrthogonalFrequencyDivisionMustiplexing;
2.直序列扩频调制技术(DSSS)和补码键控(CCK)技术;
3.二进制卷积(PBCC:
Packet BinaryConvolutional Code)。
虽然目前扩频调制技术正成为主流技术,但是和OFDM技术相比,由于其优越的传输性能,OFDM技术即将成为人们关注的新的焦点。
优点:
(1)设便捷方便。
它可以免去布线等工作,可以有效的避免了繁琐的长工期布线安装工程。
有线宽带网络例如ADSL、小区LAN等到户之后,连接到一个AP,然后就可以在电脑中安装—块无线网卡就行。
(2)无线电波覆盖范围广。
Wi-fi的覆盖半径大约100米是蓝牙技术(15m)的约7倍,然而最近Vivato公司推出一款新型交换机它了能够把Wi-Fi的通信距离扩大4英里,既约6.5公里。
(3)投资很经济。
有线网络固有的缺点就是缺乏灵活性。
如果大量的超前投资往往就会出现线路利用率低。
这在有线接入网规划中,我们不得不考虑判断到未来的发展需要。
然而Wi-Fi的规划是要按“随着用户的增加而逐步扩展起来的,如过用户数量增加了,就只需再增加几个AP设备就行,就不再需要重新布线,可以节省经济性和灵活的方便性。
(4)传输速度快。
它支持IEEE802.11a标准可以达到11Mbit/s,而且IEEE802.11g实际是OFDM
配合高阶调制,它可以能达到54Mbit/s,完全符合个人和社会信息化的需要与要求。
还有它业务可集成、厂商进入该领域的门槛低、相对健康安全等优点。
然而它不足的是
(1)质量不稳定性。
空间的无线电波间是存在相互影响,尤其是同频段同技术设备之间存在着明显影响。
还有无线电渡传播中根据障碍物不同将发生折射、反射、衍射、信号无法穿透等情况,它的质量和信号稳定性都不如有线接入方式。
(2)传输速率具有局限性。
虽然Wi-Fi技术它最高数据传输速率标称可以达11Mbps----
54Mbps,但是系统开会使应用层速率减少50%。
且频率也会干扰会使数据传输速率明显降低。
Wi-Fi网络访问控制保证只有在授权用户能访问敏感数据,加密保证必须正确的接收方才能理解数据。
为了使Wi-Fi网络中的数据传输具有同有线网一样的安全性,IEEE802.1l标准采取WEP无线加密协议,虽然WEP采用了64位和128位加密密匙的RC4加密算法,但是于对包含 密匙数据本身的信息流进行截取并不复杂,Wi-Fi网络还是会轻易的被攻击。
况且它的基带协议和射频协议比较复杂,实现成本也较高,其功耗比较大,一般的电池根本不能满足它的供电要求。
1.3.3蓝牙技术
蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术。
它能包括在移动电话、笔记本电脑、无线耳机和PDA、相关外设等各类设备之间进行的无线信息交换的技术[6]。
蓝牙这个名称来自于第十世纪的一位丹麦国王HaraldBlatand,Blatand在英文里的意思可以被解释为 Bluetooth(蓝牙)因为国王喜欢吃蓝莓,牙龈每天都是蓝色的所以叫蓝牙。
在行业协会筹备阶段,因需要一个极具有表现力的名字来命名这项高新技术而得名。
它的创始人是瑞典爱立信公司,于1994年开始研究在移动电话和其他配件间进行的低功耗、低成本的无线通信连接方案。
目前应用最为广泛的是Bluetooth 2.0+EDR标准,该标准在2004年已经推出,支持Bluetooth 2.0+EDR标准的产品也于2006年大量出现。
通过使用Bluetooth技术产品,可以让人们免除去家居办公电缆线缠绕的苦恼。
耳机和扬声器、键盘、膝上型计算机等等都可以在 PC 环境周围中使用。
利用“蓝牙”技术,我们可以有效地简化掉移动通信终端设备与设备之间通信,并且简化设备与Internet的通信,让传输数据变得更加快速起来,可以为无线通信做拓宽道路做为基础。
蓝牙采用快跳频和短包和分散式网络结构的技术方法,它可以支持点对点和点对多点他们之间的通信,其工作在全球通用的2.4G的ISM频段。
它与红外线技术相比较的话,其有较高的传输速率,不会像红外线那样条件苛刻并且需要口对口的连接才能传输数据,它可以在有效范围10米内使用就行,可以随时随地进行连接收发数据,方便又简单。
然而蓝牙协议栈的大小在60kb到150kb,其协议栈比较复杂,功耗
也比较大,如果用蓝牙技术来实现无线传输,还需要专门的蓝牙芯片来实现,并且对其内存的需求也大,从这几个方面来说,增加了成本,传输距离也近,不符合环境监测的需要,也不符合节约型能源社会的需要。
1.3.4超宽频技术(UWB)
UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术,它利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲进行传输数据。
UWB 是一种无载波通信技术,它不用载波,而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲进行传输数据,所以它所占的频谱范围比较宽。
就频域而言,超宽带和传统的窄带和宽带是有很大不同的,它的频带比传统的更宽。
通过发送射频载波进行信号调制是一般的通信系统,然而UWB则是利用起、落点的时域脉冲(几十n
s) 来直接实现调制, 超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行,并且以这一过程中所持续的时间,来决定带宽所占据的频率范围。
它系统结构的实现也比较简单,具有低功耗、安全性高、高速的数据传输、多径分辨能力强等的特点,而突出一个特点是它可以定位。
冲激脉冲有很高的精准定位精度,它利用超宽带无线电进行通信,可以很容易将定位和通信相饥结合为一。
超宽带无线电具有极强的穿透能力,可以在室内和地下进行精确定位,在这里充分表现出其优势;
还有其与GPS都可以提供绝对地理位置,不同的是超短脉冲定位器可以给出相对位置,它的定位精度可以达到厘米级,而根据资料显示G
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